Науке твистронике всего-то пять лет и как всё высокотехнологическое её, по определению Артура Кларка, сложно отличить от магии. В 2017 году учёные выяснили, что два наложенных друг на друга слоя графена при повороте на определённый «магический угол» начинают демонстрировать необычные свойства, которых нет у одиночных слоёв. Теперь учёные научились включать и выключать такие свойства простым электрическим импульсом — как лампочку выключателем.
Синим и фиолетовым обозначены слои нитрида бора, а графен между ними (и на врезке). Источник изображения: MIT
Термин «твистроника» (twistronics) родился в лаборатории Массачусетского технологического института, где первыми поставили целый ряд экспериментов с совмещением слоёв графена с поворотом на «магический угол» 1,1°. До недавних пор все эксперименты демонстрировали изменение проводимости в многослойном «магическом» графене от диэлектрика до проводника и сверхпроводника под воздействием внешнего электромагнитного поля и этому есть масса интересных применений.
Новое открытие позволяет управлять проводимостью графена с «магическим углом» буквально одним щелчком выключателя и эти состояния бистабильны — они сохраняются после исчезновения управляющего импульса. Фактически у нас появляется аналог транзистора, который по команде мгновенно переходит из закрытого или проводящего состояния в сверхпроводящее.
На этой основе можно построить сверхбыструю и экономичную электронику (сверхпроводимость не создаёт сопротивления перехода и рассевания тепла). Например, подобные ключевые элементы могли бы сыграть роль нейронов в искусственном мозге или нейроморфном процессоре, поскольку наподобие живых нейронов могли бы срабатывать при превышении заданного порога.
В основе переключаемого электрическими импульсами графена с «магическим углом» лежат предыдущие эксперименты, в которых было обнаружено, что при определённой ориентации графенового бутерброда из верхних и нижних изолирующих слоёв из нитрида бора составной материал приобретает свойства ферромагнетиков. Такие материалы сохраняют свои магнитные свойства даже при отсутствии внешнего магнитного поля. Тем самым новому составному материалу не нужно внешнее магнитное поле. Оно у него уже есть в составе. Остаётся только активировать свойства материала, для чего оказалось достаточно подавать на него короткие импульсы.
Секрет чудесных свойств оказался в спланированной ориентации всех слоёв материала — как графена с «магическим углом», так и изоляторов (верхнего и нижнего). Двухслойный графен с повёрнутыми на 1,1° слоями выровняли по кристаллической решётке верхнего изолятора из нитрида бора, а нижний изолятор (тоже из нитрида бора) повернули на 30° по отношению к верхнему.
В ходе экспериментов выяснилось, что если подавать на такой материал напряжение заданной величины, то графен меняет свою проводимость с изолятора, на проводник и сверхпроводник. Более того, эти состояния оказались бистабильными и после снятия управляющего напряжения сохранялись.
«Люди пытаются создать электронные устройства, которые выполняют вычисления, вдохновляясь мозгом, — говорит глава группы исследователей. — В мозге есть нейроны, которые при превышении определенного порога начинают работать. Точно так же мы нашли способ для графена с магическим углом резко переключать сверхпроводимость за определенным порогом. Это ключевое свойство для реализации нейроморфных вычислений».