Twistronics (från engelska twist och engelsk electronics ) är en gren av fasta tillståndets fysik som studerar inverkan av rotationsvinkeln (twisting) mellan lager av tvådimensionella material på deras fysiska egenskaper [1] [2] . Det har experimentellt och teoretiskt visats att material som tvåskiktsgrafen har helt olika elektroniska beteende, allt från icke- ledande till supraledande , beroende på felorienteringsvinkeln mellan lagren [3] [4] . Termen dök upp först i arbetet av forskargruppen Efthymios Kaxiras från Harvard University under den teoretiska övervägandet av grafen supergitter [1] [5] .
År 2007 ansåg fysikern Antonio Castro Neto från National University of Singapore att tryckning av två ark grafen förskjutna från varandra kunde leda till nya elektriska egenskaper, och föreslog separat att grafen kunde öppna vägen till supraledning, men tog inte hänsyn till dessa två idéer gemensamt [4] . År 2010 fann forskare från det tekniska universitetet Federico Santa Maria i Chile att vid en viss vinkel nära 1 grad, istället för en linjär spridningslag för den elektroniska strukturen av vridet tvåskiktsgrafen, uppstår ett tillstånd med noll Fermihastighet , det vill säga zonen blir helt platt [ 6] . Utifrån detta föreslog de att kollektiva effekter skulle kunna uppstå i systemet. 2011 fann Allan McDonald och Rafi Bistritzer , med hjälp av en enkel teoretisk modell, att för den tidigare hittade "magiska vinkeln" ändras mängden energi som en fri elektron skulle behöva för att tunnelera mellan två ark grafen radikalt [7] . Under 2017 använde forskargruppen Efthymios Kaxiras vid Harvard University detaljerade kvantmekaniska beräkningar för att förfina betydelsen av rotationsvinkeln mellan två lager av grafen, vilket kan orsaka ovanligt beteende hos elektroner i detta tvådimensionella system [1] . 2018 upptäckte gruppen av Pablo Jarillo-Herrero , en MIT - professor , att den magiska vinkeln ledde till de ovanliga elektriska egenskaper som förutspåtts av forskare vid University of Texas i Austin [8] . När de roterar med 1,1 grader vid tillräckligt låga temperaturer, passerar elektroner från ett lager till ett annat, skapar ett gitter och visar supraledning [9] .
Publiceringen av dessa upptäckter ledde till uppkomsten av många teoretiska verk som syftade till att förstå och förklara detta fenomen [10] , såväl som många experiment [3] med olika antal lager, vridningsvinklar för lager i förhållande till varandra och olika material [4] [11] .
Teoretiska förutsägelser om supraledning bekräftades av Pablo Jarillo-Herreros grupp vid Massachusetts Institute of Technology och kollegor vid Harvard University och National Institute of Materials Science i Tsukuba (Japan). 2018 bekräftade de att supraledning existerar i tvåskiktsgrafen , där det ena lagret roteras med 1,1° i förhållande till det andra och bildar ett moirémönster , vid en temperatur på 1,7 K [2] [12] [13] . I ett magnetfält övergick det supraledande tillståndet vid vissa koncentrationer till det dielektriska tillståndet.
En annan prestation inom twistonics är upptäckten av en metod för att slå på och av supraledande banor med hjälp av ett litet spänningsfall [14] .
Experiment har också utförts med kombinationer av grafenlager med andra material som bildar heterostrukturer i form av atomärt tunna ark som hålls samman av en svag van der Waals-kraft [15] . Till exempel visade en studie publicerad i tidskriften Science i juli 2019 att med tillägget av ett bornitridgitter mellan två ark grafen, i en vinkel på 1,17°, inträffade unika orbitala ferromagnetiska effekter som kan användas för att implementera minne i kvantum. datorer [16] . Ytterligare spektroskopiska studier av tvåskiktsgrafen vriden i en magisk vinkel visade starka elektron-elektronkorrelationer [17] .
Forskare vid Northeastern University i Boston fann att, vid en viss rotationsgrad, uppträder ett lager bestående av endast elektroner mellan två tvådimensionella elementära lager av selenid och vismutdikalkogenid [18] . Kvant- och fysiska inriktningseffekter mellan de två lagren verkar skapa "pöl"-regioner som fångar in elektroner i ett stabilt gitter. Eftersom detta stabila gitter endast består av elektroner, är det det första observerade icke-atomära gittret och erbjuder nya möjligheter för att kontrollera, mäta och studera elektrontransport.
Det visades att en trelagersstruktur, bestående av två lager grafen med ett tvådimensionellt lager av bornitrid, har supraledande, dielektriska och ferromagnetiska faser [19] .
Twistronics idéer har använts alltmer under de senaste åren för att kontrollera spridningen av ljus i nanofotoniksystem [20] . Ett antal artiklar är direkt inspirerade av studier av de elektroniska egenskaperna hos skiktade strukturer och, analogt, betraktar de optiska egenskaperna hos system av tvådimensionella material roterade i förhållande till varandra. Moiré-supergitter kan till exempel användas som en fotonisk kristall för plasmonpolaritoner i grafen [21] , för att kontrollera egenskaperna hos excitoner i system baserade på halvledarmaterial (tvådimensionella övergångsmetalldikalkogenider ) [ 22 ] , för att kontrollera dispersionen av ytpolaritoner , vilket gör det möjligt att vid en viss "magisk" vinkel av det elektromagnetiska vågkanaliseringsläget [23] [24] uppnå lasergenerering i en fotonisk grafisk struktur [25] . Twistronics är också relaterat till studiet av metasytor staplade ovanpå varandra och roterade i en viss vinkel för att implementera ett kiralt eller bianisotropiskt svar [26] .