Инженерный колледж Сеульского национального университета сообщил о прорыве в материаловедении. Группа ученых под руководством профессора Хёбина Ю (кафедра материаловедения) совместно с профессорами Янг-Ву Соном (Корейский институт перспективных исследований) и Чангвоном Парком (Университет Ихва) создала двумерную квантовую платформу на основе муаровых решеток.

Исследование опубликовано в Nature — одном из самых авторитетных научных журналов. Работу поддержал Национальный исследовательский фонд Кореи, POSCO Science Fellowship и Корейский институт перспективных исследований.

Ученые впервые детально изучили, как на атомном уровне формируются сложные структуры в трехслойном графене при наложении муаровых решеток. Это открывает путь к созданию программируемых квантовых устройств и новых электронных материалов.

Что такое муаровый эффект

Если наложить две сетчатые ткани под углом, появятся волнообразные узоры — это и есть муар. То же происходит, когда на экране видны полосы от рубашки. Оказалось, этот эффект не просто визуальный — он меняет поведение электронов в материалах.

Обычно атомы в кристаллах расположены жестко, и управлять их свойствами сложно. Но если взять двумерные материалы (например, графен — слой углерода толщиной в один атом) и слегка сдвинуть слои, возникнет искусственная периодичность — муаровая решетка. Она позволяет тонко настраивать движение электронов, что важно для квантовых технологий.

Раньше изучали только двуслойные структуры.

Но если сложить три и более слоев, муаровые решетки накладываются друг на друга, создавая иерархические структуры — «муар на муаре».

Это дает еще больше возможностей для управления электронными состояниями.

Проблема в том, что механизмы таких структур до сих пор плохо изучены. Чтобы разобраться, команда собрала трехслойный графен с точно заданными углами поворота и исследовала его с помощью электронного микроскопа. Они обнаружили необычные узоры — треугольные, кагоме (шестиугольные) и даже шестиконечные звезды.

Оказалось, атомы сами организуются в энергетически выгодные конфигурации, причем важны не только взаимодействия между соседними слоями, но и между удаленными. Это уникальное свойство многослойных систем.

Ученые составили «фазовую диаграмму», которая показывает, какие структуры возникают при разных углах поворота. Это поможет в будущем проектировать квантовые материалы с заданными свойствами.

Почему это важно

• Можно создавать материалы, где электронные состояния программируются на атомном уровне.
• Открываются новые пути для разработки квантовых компьютеров и сверхбыстрой электроники.

Муаровые структуры — не просто узоры, а инструмент для управления материей, — говорит профессор Ю. — В будущем мы сможем создавать программируемые материалы, меняя их свойства электрическим полем.

Соавтор исследования, Дэсун Пак, ранее изучал муаровые решетки, а теперь работает в Samsung над улучшением полупроводниковых технологий.

Этот прорыв позволяет не просто наблюдать, а контролировать квантовые состояния в материалах. В перспективе:

• Более эффективные квантовые процессоры (меньше ошибок, выше скорость).
• Электроника с настраиваемыми свойствами (например, транзисторы, меняющие режим работы «на лету»).
• Новые сверхпроводники, работающие при высоких температурах.

Но главное — методология. Ученые показали, как слабые взаимодействия между слоями влияют на всю систему. Это меняет подход к дизайну материалов.

Отметим, что пока речь идет о лабораторных условиях. Для массового применения нужно:

• Упростить производство многослойных структур.
• Добиться стабильности при комнатной температуре.
• Интегрировать такие материалы в существующие технологии.

Ранее ученые получили новое вихревое электрическое поле.