Учёные из Университета Ратгерса (Rutgers University–New Brunswick) открыли новый класс материалов — так называемые «интеркристаллы», обладающие необычными электронными свойствами и способные привести к новым технологическим прорывам.

Интеркристаллы демонстрируют ранее неизвестное поведение электронов, что может позволить создавать более эффективные электронные устройства, совершить прорыв в квантовых вычислениях, а также разрабатывать экологичные материалы. Как сообщается в статье журнала Nature Materials, команда исследователей создала интеркристаллы, сложив два ультратонких слоя графена — листы атомов углерода, расположенных в шестиугольной решётке, — и слегка повернув их друг относительно друга на слое гексагонального нитрида бора. Это едва заметное несовпадение породило муаровые узоры, которые радикально изменили движение электронов в материале.

«Это открытие предлагает новый подход к созданию материалов», — говорит профессор Ева Андрей, ведущий автор исследования. «Интеркристаллы позволяют управлять электронными свойствами исключительно с помощью геометрии, без необходимости изменять химический состав.»

Освоив поведение электронов в интеркристаллах, учёные рассчитывают создавать совершенные транзисторы и датчики, используя более простые материалы и процессы. «Можно представить целую электронную схему, в которой каждая функция — переключение, сенсинг, передача сигнала — контролируется изменением геометрии на атомарном уровне», — отмечает соавтор исследования Джедидайя Пиксли.

Исследование основано на быстро развивающейся области «твиcтроники», где свойства материалов регулируются точным поворотом атомных слоёв для создания муаровых узоров. Андрей и её команда впервые показали значимость этого подхода для графена в 2009 году, положив начало новому направлению в науке о материалах.

Если обычные кристаллы обладают идеально повторяющейся атомной структурой и предсказуемыми свойствами, а квазикристаллы (открытые в 1982 году) имеют упорядоченную, но не повторяющуюся структуру, то интеркристаллы уникальны. Они сочетают в себе нерегулярные узоры квазикристаллов с некоторыми симметриями обычных кристаллов. «Открытие квазикристаллов бросило вызов существующим представлениям о порядке атомов», — объясняет Андрей. «Интеркристаллы идут ещё дальше, показывая, что можно создавать новые фазы материи, используя геометрическую фрустрацию на атомарном уровне.»

В Rutgers уверены: интеркристаллы могут стать основой для нового поколения энергоэффективной электроники, атомных датчиков и даже квантовых компьютеров. Кроме того, такие материалы можно создавать из доступных и нетоксичных элементов — углерода, бора и азота, что делает их более устойчивой альтернативой технологиям, зависящим от редкоземельных металлов.

«Это только начало», — говорит Пиксли. «Мы с нетерпением ждём, какие возможности эти материалы откроют для науки и технологий в будущем.»

В исследовании также участвовали Синьюань Лай, Гохонг Ли и Анджела Ко из Rutgers, а также учёные из Национального института материаловедения Японии.