Magiczny kąt

Na marcowym spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego w Bostonie, gdzie miały zostać zaprezentowane szczegóły badań na temat owego kąta, zgromadził się tłum naukowców. Niektórzy uważają odkrycie uczonych z MIT za początek nowej epoki.

W ubiegłym roku zespół fizyków z Pablo Jarillo-Herrero na czele ułożył parę arkuszy grafenowych na sobie, schłodził system do temperatury niemal zera bezwzględnego i obrócił jeden z arkuszy pod kątem 1,1 stopnia względem drugiego. Badacze przyłożyli napięcie i układ stał się rodzajem izolatora, w którym interakcje pomiędzy samymi atomami i cząstkami uniemożliwiają poruszanie się elektronów. Gdy do układu wprowadzono więcej elektronów, system stał się nadprzewodnikiem, w którym ładunek elektryczny może poruszać się bez oporu.

- To było niesamowite - opowiadał Jarillo-Herrero w serwisie Gizmodo. - Myśleliśmy, że to zbyt piękne, by było prawdziwe. Bardzo obawialiśmy się błędu. Jeśli ogłaszasz coś ważnego i wielu ludzi zwraca na ciebie uwagę, lepiej upewnij się, że wszystko się zgadza.

Owe magiczne efekty kątowego obrotu mają związek z tzw. prążkami moiré (prążki mory). Jest to pewien rodzaj układu prążków powstałego na skutek interferencji (nakładania się) dwóch siatek linii obróconych o pewien kąt lub poddanych deformacji (zniekształconych względem siebie). Jeżeli np. jedną siatkę umieścimy na płaskiej powierzchni, a drugą przymocujemy do odkształcanego obiektu, to pojawią się prążki moiré. Ich wzorzec może być bardzo złożony, a układ będzie zależał od deformacji badanego obiektu.

Wyniki badaczy z MIT zostały powielone przez kilka zespołów, choć weryfikacja wciąż trwa i fizycy wciąż dociekają istoty zjawiska. W ciągu ostatniego roku na serwerze arXiv pojawiło się ponad sto nowych prac na ten temat. Przypomniano, że teoretycy prawie dziesięć lat temu przewidywali, że w tak obracanych i skręcanych systemach grafenowych mogą pojawić się nowe efekty fizyczne. Nadal jednak fizycy nie rozumieją wielu kwestii dotyczących pochodzenia zjawiska nadprzewodnictwa i charakteru stanów izolacyjnych w grafenie.

Zdaniem Jarillo-Herrero zainteresowanie tematem bierze się także z tego, że spotykają się w nim "gorące" ostatnio gałęzie fizyki, czyli badania grafenu i innych dwuwymiarowych materiałów, właściwości topologiczne materiałów (cechy, które nie zmieniają się pomimo przemian fizycznych), superzimna materia i niezwykłe elektroniczne zjawiska, które wynikają ze sposobu dystrybucji elektronów w niektórych materiałach.

Jednak nadmiernie podekscytowanych nowym odkryciem i jego potencjalnymi zastosowaniami w urządzeniach elektronicznych studzą pewne fakty. Choćby to, że obrócone pod magicznym kątem arkusze grafenowe muszą zachowywać temperaturę 1,7 stopnia Kelwina powyżej zera bezwzględnego, a w dodatku okazuje się, że "wolałyby" jednak nie być trzymane pod kątem 1,1 stopnia - podobnie jak dwa magnesy nie chcą stykać się tymi samymi biegunami. Jest też zrozumiałe, że trudno manipulować materiałem o grubości tylko jednego atomu.

Jarillo-Herrero wymyślił dla odkrytych przez siebie efektów nazwę twistronics ("twistronika"?, "obrotnika"? - a może "morystory", od prążków moiré?). Wygląda na to, że nazwa będzie potrzebna, bo wielu ludzi nauki i techniki chce badać to zjawisko i szukać dla niego zastosowań.

Mirosław Usidus