Твистроника

В 2007 году физик из Национального университета Сингапура Антонио Кастро Нето выдвинул гипотезу о том, что прижатие двух смещённых друг относительно друга листов графена может привести к возникновению новых электрических свойств, и отдельно предположил, что графен может открыть путь к сверхпроводимости, но не рассмотрел эти две идеи совместно[4]. В 2010 году исследователи из Технического университета имени Федерико Санта-Мария в Чили обнаружили, что при определённом угле, близком к 1 градусу, вместо линейного закона дисперсии для электронной структуры скрученного двухслойного графена возникает состояние с нулевой скоростью Ферми, то есть зона становится полностью плоской[6]. Исходя из этого, они предположили, что в системе могут возникать коллективные эффекты. В 2011 году Аллан Макдональд и Рафи Бистрицер, используя простую теоретическую модель, обнаружили, что для ранее найденного «магического угла» количество энергии, которое потребуется свободному электрону для туннелирования между двумя листами графена, радикально меняется[7]. В 2017 году исследовательская группа Эфтимиоса Каксираса из Гарвардского университета использовала подробные квантово-механические расчёты, чтобы уточнить значение угла поворота между двумя слоями графена, который может вызвать необычное поведение электронов в этой двумерной системе[1]. В 2018 году группа Пабло Харильо-Эрреро, профессора Массачусетского технологического института, обнаружила, что магический угол привёл к необычным электрическим свойствам, предсказанным учеными из Техасского университета в Остине[8]. При вращении на 1,1 градуса при достаточно низких температурах электроны переходят из одного слоя в другой, создавая решётку, и демонстрируют сверхпроводимость[9].

Публикация этих открытий привела к появлению множества теоретических работ, направленных на понимание и объяснение этого явления[10], а также к многочисленным экспериментам[3] с использованием разного количества слоёв, углов поворота слоёв относительно друг друга и различных материалов[4][11].

Идеи твистроники в последние годы находят всё более широкое применение для управления распространением света в системах нанофотоники[20]. Ряд работ непосредственно вдохновлён исследованиями электронных свойств слоистых структур и по аналогии рассматривает оптические свойства систем из повёрнутых друг относительно друга двумерных материалов. Муаровые сверхрешётки могут использоваться, например, в качестве фотонного кристалла для плазмон-поляритонов в графене[21], для управления свойствами экситонов в системах на основе полупроводниковых материалов (двумерных дихалькогенидов переходных металлов)[22], для управления дисперсией поверхностных поляритонов, что позволяет достигать при некотором «магическом» угле режима каналирования электромагнитных волн[23][24], для реализации лазерной генерации в фотонной граферноподобной структуре[25]. К твистронике также примыкает изучение уложенных друг на друга и повёрнутых на некоторый угол метаповерхностей для реализации хирального или бианизотропного отклика[26].