Allt som finns i den digitala världen—foton, tweetar, onlinekurser, den här artikeln – lagras som 1:or och 0:or. På mjukvarunivå, denna information skrivs som datorkod. På hårdvarunivå, den koden väcks till liv genom att miljarder transistorer slår på (1) och av (0).

Transistorer finns i allt från datorer och smartphones till MP3-spelare och digitalkameror. Men kraften och effektiviteten hos transistorer begränsas av de material som finns tillgängliga för att konstruera dem.

Nu, forskare från Northeastern University har gjort en upptäckt som öppnar upp ett helt nytt fält som utforskar material för transistorer, fotodetektorer, flexibel elektronik, och andra applikationer.

Verket – publicerat nyligen i tidskriften Vetenskapens framsteg – involverar 2D-kristaller, som är supertunna material bara några få atomer höga. Att kombinera två 2D-kristaller bildar en heterostruktur. Tills nu, fysiker trodde att 2D-kristaller måste vara väldigt lika, med alla atomer för att passa perfekt, för att bilda en ny heterostruktur.

"Men naturen kastar alltid en kurva på dig, " säger Arun Bansil, University Distinguished Professor of Physics och en av tidningens författare.

Docent Swastik Kar skrev artikeln tillsammans med Bansil och andra kollegor på Northeastern. De observerade för första gången att två helt olika 2D-kristaller kan arrangeras ovanpå varandra, atom för atom, på ett sådant sätt att de passar ihop nästan perfekt och ger helt nya egenskaper.

"Det skulle vara som att göra en club sandwich, sa Kar. "Du kan ha något som smakar bröd och något som smakar kött."

Men nyckeln, Bansil förklarar, är inte bara att montera ihop en smörgås där man kan smaka av varje lager för sig. "Du vill ha lite matlagning på gång så att du kan få lite nya smaker."

I en värld av kondenserad materiens fysik, Att upptäcka att två väldigt olika 2D-kristaller kan bilda en heterostruktur är som att kombinera vatten och mjöl för första gången och skapa deg. Det ger vika för praktiskt taget obegränsade möjligheter för nya 2D-material.

När naturen "autokorrigerar, ' upptäckt händer

Upptäckten inträffade under ett experiment där två olika 2D-kristaller syntetiserades för att staplas ovanpå varandra. Istället för att bara sitta där, oförmögna att interagera på grund av hur lite de har gemensamt, kristallerna gjorde något oväntat.

"De roterade bara i förhållande till varandra, " sa Bansil. Han demonstrerade genom att lägga ena handen ovanpå den andra och vrida sig i motsatta riktningar.

Forskarna fann att istället för att växa slumpmässigt, dessa kristaller roterar för att bilda stabila och inriktade konfigurationer, låter nya kristaller bildas.

Denna upptäckt är ett exempel på naturens förmåga att "autokorrigera, " observerade här på nanoskala. Den automatiska omställningen gjorde det möjligt för de två materialen att sväva - deras elektroner började prata med varandra och visa upp nya beteenden.

Forskarna experimenterade genom att ytterligare ändra anpassningen av de två lagren. De fann att med varje ändring, heterostrukturen gav nya egenskaper.

"Tänk om du hade tårta, och sedan vred du runt det och det blev ett kex, och du vrider på det igen och det blir något annat, " sa Kar. "Från en materiell synvinkel, det är så spännande det här är."

Kars labb ansvarar för syntesen och karakteriseringen av dessa material. Bansils grupp är inriktad på beräkningskvantteori. Forskning inom materialområdet anses stark när teori och experiment går hand i hand, det ena förstärker det andra och vice versa. Och det var precis vad som hände för Kar och Bansil i det här fallet.

"Vad vi fann är att mycket nytt beteende i vårt system kan förstås mycket tydligt när vi tittar på teorin som kommer ut ur de kvantmekaniska beräkningarna, sa Kar.

Denna forskning kan leda till nya material som förändrar hur datorer lagrar 1:orna och 0:orna i den digitala världen. Eftersom den heterostruktur som Kar och hans kollegor skapade kan modifieras på så många sätt på atomnivå, det finns stor potential för att skriva, läsning, radera, och på annat sätt manipulera information. Med andra ord, det gör det möjligt för forskare att ändra hur ingredienser beter sig efter att kakan redan har gräddats.

"Den graden av kontroll är väldigt spännande, " sa Kar. "Det är som Food Network inuti 2-D-material."