2D-material har utlöst en boom inom materialforskning. Nu visar det sig att spännande effekter uppstår när två sådana skiktade material staplas och vrids lätt.

Upptäckten av materialet grafen, som består av endast ett lager av kolatomer, var startsignalen för ett globalt lopp:Idag, så kallade 2D-material produceras, gjorda av olika typer av atomer. Atomtunna lager som ofta har mycket speciella materialegenskaper som inte finns i konventionella, tjockare material.

Nu läggs ytterligare ett kapitel till detta forskningsfält:Om två sådana 2D-lager staplas i rätt vinkel, ännu fler nya möjligheter uppstår. Sättet på vilket atomerna i de två lagren interagerar skapar intrikata geometriska mönster, och dessa mönster har en avgörande inverkan på materialegenskaperna, som ett forskarlag från TU Wien och University of Texas (Austin) nu har kunnat visa. Fononer - atomernas gittervibrationer - påverkas avsevärt av vinkeln med vilken de två materialskikten placeras ovanpå varandra. Således, med små rotationer av ett sådant lager, man kan väsentligt förändra materialegenskaperna.

Moiréeffekten

Grundidén kan prövas hemma med två flugnätsdukar – eller med andra vanliga maskor som kan placeras ovanpå varandra:Om båda rutnäten är perfekt kongruenta ovanpå varandra, man kan knappt se ovanifrån om det är ett eller två rutnät. Strukturens regelbundenhet har inte förändrats.

Men om du nu vrider ett av gallren med en liten vinkel, det finns ställen där rutnäten i maskorna ungefär matchar, och andra platser där de inte gör det. Den här vägen, intressanta mönster framträder — det är den välkända moiréeffekten.

"Du kan göra exakt samma sak med atomnäten i två materiallager, " säger Dr Lukas Linhart från Institutet för teoretisk fysik vid TU Wien. Det anmärkningsvärda är att detta dramatiskt kan förändra vissa materialegenskaper — t.ex. grafen blir en supraledare om två lager av detta material kombineras på rätt sätt.

"Vi studerade lager av molybdendisulfid, som, tillsammans med grafen, är förmodligen ett av de viktigaste 2D-materialen, " säger prof Florian Libisch, som ledde projektet vid TU Wien. "Om du lägger två lager av detta material ovanpå varandra, så kallade Van der Waals-krafter uppstår mellan atomerna i dessa två lager. Det är relativt svaga krafter, men de är starka nog att helt förändra hela systemets beteende."

I utarbetade datorsimuleringar, forskargruppen analyserade det kvantmekaniska tillståndet för den nya dubbelskiktsstrukturen orsakad av dessa svaga ytterligare krafter, och hur detta påverkar vibrationerna hos atomerna i de två lagren.

Rotationsvinkeln har betydelse

"Om du vrider de två lagren lite mot varandra, Van der Waals-krafterna gör att atomerna i båda lagren ändrar sina positioner lite, " säger Dr Jiamin Quan, från UT Texas i Austin. Han ledde experimenten i Texas, vilket bekräftade resultatet av beräkningarna:Rotationsvinkeln kan användas för att justera vilka atomvibrationer som är fysiskt möjliga i materialet.

"När det gäller materialvetenskap, det är en viktig sak att ha kontroll över fononvibrationer på detta sätt, " säger Lukas Linhart "Det faktum att elektroniska egenskaper hos ett 2D-material kan ändras genom att sammanfoga två lager var redan känt tidigare. Men att de mekaniska svängningarna i materialet också kan styras av detta öppnar nu nya möjligheter för oss. Fononer och elektromagnetiska egenskaper är nära besläktade. Via vibrationerna i materialet, man kan därför ingripa i viktiga mångkroppseffekter på ett kontrollerande sätt." Efter denna första beskrivning av effekten för fononer, forskarna försöker nu beskriva fononer och elektroner kombinerade, i hopp om att lära sig mer om viktiga fenomen som supraledning.

Den materialfysiska Moiré-effekten gör alltså det redan rika forskningsfältet av 2D-material ännu rikare – och ökar chanserna att fortsätta hitta nya skiktade material med tidigare ouppnåeliga egenskaper och möjliggör användningen av 2D-material som en experimentell plattform för ganska grundläggande egenskaper hos fasta ämnen.