Ученые обнаружили класс кристаллов с революционными свойствами

Исследователи из Ратгерского университета в Нью-Брансуике открыли новый класс материалов, называемых интеркристаллами, с уникальными электронными свойствами, которые могут стать основой будущих технологий.

Ученые утверждают, что интеркристаллы демонстрируют недавно открытые формы электронных свойств, которые могут проложить путь к достижениям в области более эффективных электронных компонентов, квантовых вычислений и экологически чистых материалов.

Как описано в отчете в научном журнале Nature Materials , ученые сложил два сверхтонких слоя графена, каждый из которых представлял собой лист атомов углерода толщиной в один атом, организованный в гексагональную сетку. Они слегка скрутили их поверх слоя гексагонального нитрида бора, гексагонального кристалла из бора и азота. Они обнаружили, что едва заметное смещение между слоями, которое формировало муаровые узоры — узоры, похожие на те, которые видны при наложении двух мелкоячеистых экранов, — значительно изменило то, как электроны двигались через материал.

«Наше открытие открывает новый путь для проектирования материалов», — сказала ведущий автор исследования профессор Ева Андре. «Интеркристаллы дают нам новый способ управления электронным поведением, используя только геометрию, без необходимости менять химический состав материала».

По словам исследователей, понимая и контролируя уникальные свойства электронов в интеркристаллах, ученые могут использовать их для разработки таких технологий, как более эффективные транзисторы и датчики, которые ранее требовали более сложного сочетания материалов и обработки. 

«Вы можете представить себе проектирование целой электронной схемы, где каждая функция — переключение, считывание, распространение сигнала — контролируется настройкой геометрии на атомном уровне», — сказал соавтор исследования Джедедайя.

Интеркристаллы могут стать строительными блоками таких будущих технологий. Открытие основано на развивающейся технологии в современной физике, называемой «твистроникой», где слои материалов деформируются под определенными углами, создавая муаровые узоры. Эти конфигурации существенно изменяют поведение электронов внутри вещества, что приводит к свойствам, которые не встречаются в обычных кристаллах.

Основополагающая идея была впервые продемонстрирована Андреей и ее командой в 2009 году, когда они показали, что муаровые узоры в скрученном графене кардинально изменяют его электронную структуру. Это открытие помогло зародить область твистроники.

Электроны — это крошечные частицы, которые перемещаются в материалах и отвечают за электропроводность. В обычных кристаллах, которые обладают повторяющейся структурой атомов, образующих идеально организованную сетку, способ движения электронов хорошо понятен и предсказуем. Если кристалл повернуть или сместить на определенные углы или расстояния, он будет выглядеть так же из-за внутренней характеристики, известной как симметрия.

Однако исследователи обнаружили, что электронные свойства интеркристаллов могут значительно меняться при небольших изменениях в их структуре. Эта изменчивость может привести к новым и необычным поведениям, таким как сверхпроводимость и магнетизм, которые обычно не встречаются в обычных кристаллах. Сверхпроводящие материалы обещают непрерывно текущий электрический ток, поскольку они проводят электричество с нулевым сопротивлением.

Ученые утверждают, что интеркристаллы могут стать частью новых схем для электроники с низкими потерями и атомных датчиков, которые могут сыграть свою роль в создании квантовых компьютеров и стать основой новых видов потребительских технологий.

Эти материалы также могут стать основой для более экологически чистых электронных технологий.

«Поскольку эти структуры могут быть изготовлены из распространенных, нетоксичных элементов, таких как углерод, бор и азот, а не из редкоземельных элементов, они также предлагают более устойчивый и масштабируемый путь для будущих технологий», — объясняют авторы исследования.

Интеркристаллы отличаются не только от обычных кристаллов. Они также отличаются от квазикристаллов, особого типа кристаллов, открытых в 1982 году, с упорядоченной структурой, но без повторяющегося узора, обнаруженного в обычных кристаллах. 

Члены исследовательской группы назвали свое открытие «интеркристаллами», поскольку они представляют собой смесь кристаллов и квазикристаллов: они имеют неповторяющиеся узоры, как квазикристаллы, но обладают общей симметрией с обычными кристаллами.  

«Открытие квазикристаллов в 1980-х годах поставило под сомнение старые правила атомного порядка», — сказал Андрей. «С интеркристаллами мы делаем шаг вперед, показывая, что материалы могут быть спроектированы для доступа к новым фазам материи, используя геометрическую фрустрацию в наименьшем масштабе».

Исследователи Ратгерского университета с оптимизмом смотрят на будущее применение интеркристаллов, открывающих новые возможности для исследования и управления свойствами материалов на атомном уровне.

«Это только начало», — сказал Пиксли. «Мы с нетерпением ждем, куда это открытие нас приведет и как оно повлияет на технологии и науку в ближайшие годы».