Непрерывно скручивающиеся стопки двумерных материалов, созданные командой под руководством профессора химии из Университета штата Вашингтон в Мэдисоне Сон Джин, демонстрируют ряд новых свойств, которые ученые могут использовать для изучения квантовой физики в наномасштабе. Свою работу исследователи опубликовали в журнале Science.
За последние несколько лет ученые поняли, что, если в структуре материала немного повернуть атомные слои — обычно на несколько градусов — можно добиться получения очень интересных физических свойства, таких как нетрадиционная сверхпроводимость. Например, скрученный материал полностью теряет свое электрическое сопротивление при низкой температуре. Сейчас ученые пристально исследуют эти 2D-квантовые материалы и называют такие работы "твистроникой".
Ючжоу Чжао, аспирант и ведущий автор исследования, говорит, что стандартной практикой создания скрученных двумерных структур является механическое наложение двух листов тонких материалов друг на друга и тщательное регулирование угла скручивания между ними вручную. Но когда исследователи выращивают эти 2D-материалы напрямую, они не могут контролировать угол закручивания, потому что взаимодействие между слоями очень слабое.
Представьте себе стопку из постоянно крутящихся игральных карт. Если у вас есть ловкие пальцы, вы можете крутить карты, но задача ученых состоит в том, как заставить атомные слои самостоятельно скручиваться в наномасштабе. Команда Джина выяснила, как контролировать рост этих извилистых наноразмерных структур, размышляя за пределами плоского пространства евклидовой геометрии.
Евклидова геометрия составляет математическую основу мира, с которым мы знакомы. Это позволяет нам думать о мире в плоскостях и прямых углах. Напротив, неевклидова геометрия описывает искривленные пространства, в которых линии искривлены, а сумма углов в квадрате не равна 360 градусам. Научные теории, объясняющие пространственно-временной континуум, такие как общая теория относительности Эйнштейна, используют неевклидову геометрию в качестве основы. По словам Джина, размышления о кристаллических структурах за пределами евклидовой геометрии открывают новые интригующие возможности.
Чжао и Цзинь создали закрученные спирали, воспользовавшись несовершенством выращиваемых кристаллов, которое называется винтовой дислокацией. Джин изучал такой рост кристаллов за счет дислокаций в течение многих лет. В 2D-материалах дислокации обеспечивают шаг вверх для следующих слоев структуры, поскольку она закручивается по спирали, как пандус для парковки, со всеми связанными слоями по всей стопке, выравнивая ориентацию каждого слоя.
Затем, чтобы вырастить неевклидову спиральную структуру и заставить спирали закручиваться, команда Джина изменила основу, на которой росли их спирали. Вместо того, чтобы выращивать кристаллы на плоскости, Чжао поместил наночастицу, похожую на частицу оксида кремния, под центром спирали. В процессе роста частица разрушает плоскую поверхность и создает изогнутую основу для роста 2D-кристалла.
Команда обнаружила, что вместо выровненной спирали, где край каждого слоя лежит параллельно предыдущему слою, 2D-кристалл образует непрерывно закручивающуюся многослойную спираль, которая предсказуемо перекручивается от одного слоя к другому. Угол межслойной закрутки возникает из-за несоответствия между плоскими (евклидовыми) 2D кристаллами и искривленными (неевклидовыми) поверхностями, на которых они растут.
Чжао называет паттерн, в котором спиральная структура растет прямо над наночастицей, создавая конусообразную основу, «закрепленной спиралью». Когда структура вырастает над смещенной от центра наночастицей, как дом, построенный на склоне горы, это узор «незакрепленной спирали». Чжао разработал простую математическую модель для предсказания углов закручивания спиралей на основе геометрической формы изогнутой поверхности, и его смоделированные формы спиралей хорошо сочетаются с выращенными структурами.
После первоначального открытия профессор материаловедения и инженерии Университета штата Мэдисон Пол Войлс и его ученик Чэнью Чжан изучили спирали под электронным микроскопом, чтобы подтвердить расположение атомов в этих закрученных спиралях. Их изображения показали, что атомы в соседних скрученных слоях образуют ожидаемую перекрывающуюся интерференционную картину, называемую муаровым узором, которая также придает тонкой многослойной шелковой одежде блеск и рябь. Заслуженный профессор химии Джон Райт и его лаборатория провели предварительные исследования, свидетельствующие о возможности необычных оптических свойств закручивающихся спиралей.
Исследователи использовали дихалькогениды переходных металлов в качестве слоев для закручивающихся спиралей, но концепция не зависит от конкретных материалов, если они являются 2D-материалами.
Прямой синтез изгибающихся 2D-материалов позволит проводить исследования новой квантовой физики в этих 2D-материалах «твистроника», которыми Джин и его сотрудники серьезно занимаются.
