U 2018., otkriće u nauci o materijalima izazvalo je šokove širom zajednice. Tim je pokazao da ga je slaganje dva sloja grafena – sloja ugljenika nalik saću ekstrahovanog iz grafita – pod preciznim „magičnim uglom“ pretvorilo u superprovodnik, kaže Riteš Agarval sa Univerziteta u Pensilvaniji.
Ovo je pokrenulo polje „tvistronike“, otkrivajući da uvrtanje slojevitih materijala može otkriti izvanredna svojstva materijala.
Nadovezujući se na ovaj koncept, Agarval, teorijski fizičar Penn Eugene Mele i saradnici su preuzeli tvistroniku na novu teritoriju.
U studiji objavljenoj u časopisu Priroda, oni su istraživali spiralno naslagane kristale volfram disulfida (VS 2) i otkrili da, uvijanjem ovih slojeva, svetlost može da se koristi za manipulaciju elektronima. Rezultat je analogan Koriolisovoj sili, koja zakrivljuje putanje objekata u rotirajućem okviru, kao što se ponašaju struje vetra i okeana na Zemlji.
„Ono što smo otkrili je da jednostavnim uvrtanjem materijala možemo kontrolisati kako se elektroni kreću“, kaže Agarval, istaknuti naučnik Srinivasa Ramanujan u Školi inženjerstva i primenjenih nauka. Ovaj fenomen je bio posebno očigledan kada je tim obasjao kružno polarizovanu svetlost na VS 2 spirale, uzrokujući da se elektroni sklone u različitim pravcima na osnovu unutrašnjeg uvijanja materijala.
Poreklo najnovijih nalaza tima seže u rane dane zatvaranja zbog pandemije COVID-19 kada je laboratorija zatvorena, a prva autorka Žurun (Džudi) Dži završavala svoj doktorat.
U nemogućnosti da sprovodi fizičke eksperimente u svemiru, preusmerila je svoj fokus na teorijski rad i sarađivala sa Meleom, uvaženim profesorom fizike Kristofera H. Brauna na Školi za umetnost i nauku.
Zajedno su razvili teorijski model ponašanja elektrona u uvrnutim okruženjima, zasnovan na spekulaciji da bi kontinuirano uvrnuta rešetka stvorila čudan, složen pejzaž u kojem bi elektroni mogli da ispolje nova kvantna ponašanja.
„Struktura ovih materijala podseća na DNK ili spiralno stepenište. To znači da uobičajena pravila periodičnosti u kristalu – gde atomi sede u urednim, ponavljajućim obrascima – više ne važe“, kaže Ji.
Kako je 2021. stigla i ograničenja pandemije su ukinuta, Agarval je tokom naučne konferencije saznao da bivši kolega Song Jin sa Univerziteta Viskonsin-Medison uzgaja kristale kontinuiranim spiralnim uvijanjem. Prepoznajući da su Džinovi spiralno uvrnuti VS 2 kristali savršen materijal za testiranje Dži i Meleovih teorija, Agarval je organizovao da Džin pošalje seriju. Eksperimentalni rezultati su bili intrigantni.
Mele kaže da je efekat odražavao Koriolisovu silu, zapažanje koje se obično povezuje sa misterioznim bočnim skretanjima koja se vide u rotirajućim sistemima. Matematički, ova sila veoma liči na magnetni otklon, objašnjavajući zašto su se elektroni ponašali kao da je magnetno polje prisutno čak i kada ga nema. Ovaj uvid je bio presudan, jer je povezao uvrtanje kristala i interakciju sa kružno polarizovanom svetlošću.
Agarval i Mele upoređuju odgovor elektrona sa klasičnim Holovim efektom u kome se struja koja teče kroz provodnik skreće u stranu magnetnim poljem. Ali, dok je Holov efekat vođen magnetnim poljem, ovde su „struktura uvijanja i sila slična Koriolisu vodili elektrone,“ kaže Mele.
„Otkriće se nije odnosilo samo na pronalaženje ove sile; radilo se o razumevanju kada i zašto se pojavljuje i, što je još važnije, kada ne bi trebalo.“
Jedan od najvećih izazova, dodaje Mele, bio je da, kada su prepoznali da se ovo Koriolisovo skretanje može dogoditi u uvrnutom kristalu, izgledalo je da ideja funkcioniše previše dobro. Efekat se u teoriji pojavio tako prirodno da se činilo da je teško isključiti čak iu scenarijima u kojima ne bi trebalo da postoji. Bilo je potrebno skoro godinu dana da se utvrde tačni uslovi pod kojima je ovaj fenomen mogao biti posmatran ili potisnut.
Agarval upoređuje ponašanje elektrona u ovim materijalima sa „spuštanjem niz tobogan u vodenom parku. Ako bi se elektron spustio niz ravno tobogan, poput konvencionalnih rešetki materijala, sve bi bilo glatko. Ali, ako ga pošaljete niz spiralni tobogan, to je potpuno drugačije iskustvo. Elektron oseća sile koje ga guraju u različitim pravcima i na drugom kraju izlazi izmenjen, kao da mu se malo „vrti u glavi“.
Ova „vrtoglavica“ je posebno uzbudljiva za tim jer uvodi novi stepen kontrole nad kretanjem elektrona, postignut isključivo geometrijskim uvijanjem materijala. Štaviše, rad je takođe otkrio snažnu optičku nelinearnost, što znači da je odgovor materijala na svetlost značajno pojačan.
„U tipičnim materijalima, optička nelinearnost je slaba“, kaže Agarval, „ali u našem uvrnutom sistemu je izuzetno jaka, što sugeriše potencijalne primene u fotonskim uređajima i senzorima“.
Drugi aspekt studije bili su moire obrasci, koji su rezultat blagog ugaonog neusklađenosti između slojeva koji igra značajnu ulogu u efektu. U ovom sistemu, skala dužine moara — stvorena uvijanjem — je u skladu sa talasnom dužinom svetlosti, što omogućava da svetlost snažno interaguje sa strukturom materijala.
„Ova interakcija između svetlosti i moire uzorka dodaje sloj složenosti koji poboljšava efekte koje posmatramo“, kaže Agarval, „a ovo spajanje je ono što svetlosti omogućava da tako efikasno kontroliše ponašanje elektrona.“
Kada je svetlost stupila u interakciju sa uvrnutom strukturom, tim je posmatrao složene talasne funkcije i ponašanja koja se ne vide u regularnim dvodimenzionalnim materijalima. Ovaj rezultat se povezuje sa konceptom „kvantnih geometrijskih veličina višeg reda“, poput višepola Berrijeve krivine, koji pružaju uvid u kvantna stanja i ponašanja materijala.
Ovi nalazi sugerišu da uvijanje fundamentalno menja elektronsku strukturu, stvarajući nove puteve za kontrolu protoka elektrona na način na koji tradicionalni materijali ne mogu.
I na kraju, studija je otkrila da blagim podešavanjem debljine i okretnosti spirala VS 2 mogu fino podesiti snagu optičkog Holovog efekta. Ova podesivost sugeriše da bi ove uvrnute strukture mogle biti moćan alat za dizajniranje novih kvantnih materijala sa veoma podesivim svojstvima.
„Uvek smo bili ograničeni u načinu na koji možemo da manipulišemo ponašanjem elektrona u materijalima. Ono što smo ovde pokazali je da kontrolisanjem uvijanja možemo uvesti potpuno nova svojstva“, kaže Agarval.
„Mi zaista samo zagrebemo površinu onoga što je moguće. Sa spiralnom strukturom koja nudi svež način interakcije fotona i elektrona, mi ulazimo u nešto potpuno novo. Šta više ovaj sistem može da otkrije?“
