Несколько лет назад физики совершили неожиданное открытие: если наложить два атомарно тонких слоя материала вроде графена друг на друга и слегка провернуть один относительно другого, возникает особая узорчатая структура. Она меняет свойства материала и может даже наделить его сверхпроводимостью. Этот наложенный узор, похожий на то, что получится, если два оконных противомоскитных полотна положить со смещением, называется муаровым узором.

Муаровый узор (муар) — это визуальный эффект, возникающий при наложении двух периодических сетчатых структур (например, двух решеток, двух сеток). Он проявляется в виде медленно меняющегося, часто волнистого узора, чей период гораздо больше, чем период исходных сеток. Представьте, что вы кладете один на другой два куска москитной сетки. Если их ячейки идеально совпадают, вы видите одну сетку. Но если один слой слегка повернуть, сразу проступят широкие темные и светлые полосы — это и есть муар. В физике материалов, когда два атомных слоя кристалла (как графен) накладываются с поворотом, их атомные решетки взаимодействуют, создавая новый, сверхдлинный электронный «муаровый ландшафт», который и диктует новые правила поведения электронам, заставляя их течь без сопротивления или, наоборот, застревать на месте.

Но ученые на этом не остановились. Оказалось, что добавление третьего слоя, повернутого на свой, отличный от других угол, порождает еще более сложную интерференцию — супермуаровые узоры (или муар поверх муара). Такая суперструктура кардинально меняет характер движения электронов в материале. Однако до недавнего времени у исследователей не было надежного инструмента, чтобы измерить и понять, какие именно изменения происходят и почему.

Физики-экспериментаторы из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук имени Джона А. Полсона разработали специальный микроскоп, который позволил в деталях, недоступных ранее, изучить свойства супермуаровых узоров в трехслойном графене. С его помощью они увидели множество новых состояний материи, в которых электроны вели себя необычно: например, «застревали» на месте или формировали странные группы. Это кардинально меняет электронное поведение всей системы и открывает путь к созданию слоеных материалов с абсолютно контролируемыми свойствами.

Исследование, опубликованное в журнале Science, бросает вызов прежним представлениям. Ранее протяженные супермуаровые узоры в трехслойных материалах многие считали незначительными дефектами на фоне более простых структур из двух слоев. Новая работа опровергает это предположение и вводит концепцию «супермуаровой инженерии». Дополнительный узор поверх узора предлагается использовать как мощный зонд для изучения фундаментальных свойств этих уникальных материалов. Супермуар относительно велик и им легко управлять, что открывает фантастические перспективы для дизайна новых материалов для тонкой электроники и других применений.

Если бы вы спросили меня до начала этой работы, считаю ли я супермуар чем-то  полезным, я бы, вероятно, ответил, что это просто помеха, — говорит Эндрю Пирс, бывший аспирант Гарварда, а ныне постдок в Корнелле. — Но оказалось, что он дает нам новую информацию о системе — ту, которую было бы трудно получить другими методами, кроме нашего.

Понимание супермуаровых узоров ограничивалось тем, что они могут сильно меняться в разных участках одного и того же образца. Чтобы решить эту проблему, группа использовала собственный уникальный микроскоп на основе одноэлектронного транзистора, созданный в их лаборатории. Он способен исследовать материалы с разрешением около 100 нанометров и чувствителен к возмущениям, вызванным отдельными электронами. Острый зонд с датчиком на кончике сканирует образец и фиксирует мельчайшие детали.

Этот микроскоп позволил команде детектировать малейшие вариации муаровых и супермуаровых узоров в двух- и трехслойном графене, а также связанные с ними электронные свойства для каждого пикселя. Анализируя корреляции между этими величинами, они получили новое понимание того, как именно супермуаровые узоры влияют на поведение всей системы в целом.

Этот дополнительный длиннопериодный узор, которым до сих пор пренебрегали, можно использовать как зонд для понимания свойств исходного материала, — поясняет Йонглонг Се, ныне доцент Университета Райса.

Результаты работы углубляют наше понимание квантовых явлений, в том числе и сверхпроводимости, и могут привести к созданию материалов нового поколения с множеством настраиваемых свойств.

Реальная польза этого исследования лежит в двух плоскостях: фундаментальной и прикладной.

• Во-первых, это прорыв в методологии. Ученые создали не просто микроскоп, а «перcepтиron» для квантового мира, который позволяет „видеть“ и коррелировать данные, которые раньше были разрозненны. Это дает в руки материаловедов новый, невероятно мощный инструмент для диагностики и изучения любых сложных гетероструктур, а не только графена.
• Во-вторых, и это главное, работа открывает путь к «материалам по заказу». Если мы научимся не просто наблюдать, но и точно предсказывать, как три слоя, повернутые на три разных угла, влияют на проводимость, мы сможем проектировать материалы с заранее заданными свойствами: здесь — идеальный сверхпроводник при комнатной температуре, здесь — идеальный изолятор, а здесь — полупроводник с нужной шириной запрещенной зоны. Это краеугольный камень для создания следующего поколения электроники: более быстрой, энергоэффективной и миниатюрной.

Основное замечание касается масштабируемости и перехода от лабораторного чуда к практической технологии. Исследование проведено на высокоочищенных, идеализированных образцах графена в строго контролируемых условиях (сверхнизкие температуры, вакуум). Вне этой «стерильной» среды воспроизвести такие же четкие супермуаровые узоры и наблюдать столь же чистые электронные состояния будет чрезвычайно сложно. Дефекты подложки, примеси в слоях, неидеальность самого скола — все это в реальном мире может легко разрушить хрупкую картину интерференции, которую так тщательно изучали авторы. Таким образом, между этим блестящим proof-of-concept и коммерческим продуктом лежит еще долгий путь инженерных разработок.

Ранее ученые нашли новый муаровый узор в дителлуриде вольфрама.