När två atomärt tunna tvådimensionella skikt staplas ovanpå varandra och ett skikt bringas att rotera mot det andra skiktet, de börjar producera mönster – de välbekanta moirémönstren – som ingetdera lagret kan generera på egen hand och som underlättar passage av ljus och elektroner, tillåter material som uppvisar ovanliga fenomen. Till exempel, när två grafenlager är överlagrade och vinkeln mellan dem är 1,1 grader, materialet blir en supraledare.

"Det är lite som att köra förbi en vingård och titta ut genom fönstret på vingårdsraderna. Då och då, du ser inga rader eftersom du tittar direkt längs en rad, sa Nathaniel Gabor, en docent vid institutionen för fysik och astronomi vid University of California, Riverside. "Detta är besläktat med vad som händer när två atomlager staplas ovanpå varandra. Vid vissa vridningsvinklar, allt är energiskt tillåtet. Det lägger sig helt rätt för att möjliggöra intressanta möjligheter för energiöverföring."

Detta är framtiden för nya material som syntetiseras genom att vrida och stapla atomärt tunna lager, och är fortfarande i "alkemi"-stadiet, tillade Gabor. För att få allt under ett tak, han och fysikern Justin C.W. Song vid Nanyang Technological University, Singapore, har föreslagit att detta forskningsfält ska kallas "elektronkvantmetamaterial" och har just publicerat en perspektivartikel i Naturens nanoteknik .

"Vi lyfter fram potentialen i att konstruera syntetiska periodiska arrayer med funktionsstorlekar under en elektrons våglängd. Sådan ingenjörskonst gör att elektronerna kan manipuleras på ovanliga sätt, vilket resulterar i ett nytt utbud av syntetiska kvantmetamaterial med okonventionella svar, " sa Gabor.

Metamaterial är en klass av material konstruerade för att producera egenskaper som inte förekommer naturligt. Exempel inkluderar optiska cloaking-enheter och superlinser som liknar Fresnel-linsen som fyrar använder. Natur, för, har anammat sådana tekniker — t.ex. i den unika färgningen av fjärilsvingar – för att manipulera fotoner när de rör sig genom strukturer i nanoskala.

"Till skillnad från fotoner som knappt interagerar med varandra, dock, elektroner i subvåglängdsstrukturerade metamaterial laddas, och de interagerar starkt, ", sa Gabor. "Resultatet är en enorm variation av framväxande fenomen och radikalt nya klasser av interagerande kvantmetamaterial."

Gabor och Song var inbjudna av Naturens nanoteknik att skriva en recensionsuppsats. Men paret valde att gräva djupare och lägga ut den grundläggande fysiken som kan förklara mycket av forskningen inom elektronkvantmetamaterial. De skrev istället ett perspektivdokument som föreställer fältets nuvarande status och diskuterar dess framtid.

"Forskare, inklusive i våra egna labb, utforskade en mängd olika metamaterial men ingen hade gett fältet ens ett namn, sa Gabor, som leder Quantum Materials Optoelectronics-labbet vid UCR. "Det var vår avsikt när vi skrev perspektivet. Vi är de första att kodifiera den underliggande fysiken. På ett sätt, vi uttrycker det periodiska systemet för detta nya och spännande område. Det har varit en häftig uppgift att kodifiera allt arbete som har gjorts hittills och att presentera en samlande bild. Idéerna och experimenten har mognat, och litteraturen visar att det har skett snabba framsteg när det gäller att skapa kvantmaterial för elektroner. Det var dags att tygla allt under ett paraply och erbjuda en färdplan till forskare för att kategorisera framtida arbete."

I perspektivet, Gabor och Song samlar in tidiga exempel i elektronmetamaterial och destillerar nya designstrategier för elektronisk kontroll från dem. De skriver att en av de mest lovande aspekterna av det nya fältet uppstår när elektroner i prover med subvåglängdsstruktur interagerar för att uppvisa oväntat framväxande beteende.

"Beteendet av supraledning i vriden dubbelskiktsgrafen som uppstod var en överraskning, " sa Gabor. "Det visar, anmärkningsvärt, hur elektroninteraktioner och subvåglängdsegenskaper kan fås att samverka i kvantmetamaterial för att producera radikalt nya fenomen. Det är sådana här exempel som målar upp en spännande framtid för elektroniska metamaterial. Än så länge, vi har bara lagt grunden för en massa nytt arbete som kommer."