Με μια απλή περιστροφή, ένα «μαγικό» υλικό είναι τώρα το μεγάλο πράγμα στη Φυσική

Ο Pablo Jarillo-Herrero διοχετεύει λίγη από την άφθονη ενέργειά του σε ένα πρωινό τρέξιμο, αποφεύγοντας τους τρομαγμένους πεζούς καθώς προχωράει, χάνοντας σταδιακά στην απόσταση. Αναμφίβολα θα προχωρούσε ακόμα πιο γρήγορα αν δεν ήταν ντυμένος με αθλητικό παλτό, παντελόνι και παπούτσια, και περιορισμένος σε έναν από τους πολλούς παράξενα μεγάλους διαδρόμους που διασχίζουν την πανεπιστημιούπολη του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης. Αλλά ό,τι του λείπει σε εξοπλισμό και δρόμο, το αναπληρώνει με αποφασιστικότητα, οδηγούμενος από τη γνώση ότι ένα γεμάτο αμφιθέατρο τον περιμένει να ανέβει στο βάθρο.

Ο Jarillo-Herrero δεν ήταν ποτέ χαλαρός, αλλά η δραστηριότητά του έχει εκτοξευθεί σε πολλά επίπεδα από τη δραματική ανακοίνωσή του τον Μάρτιο του 2018 ότι το εργαστήριό του στο MIT είχε βρει υπεραγωγιμότητα σε συνεστραμμένο διπλοστοιβάδα γραφένιο - ένα φύλλο κρυστάλλου άνθρακα πάχους ενός ατόμου που έπεσε σε άλλο , και στη συνέχεια περιστράφηκε για να αφήσει τα δύο στρώματα ελαφρώς λοξά.

Η ανακάλυψη ήταν η μεγαλύτερη έκπληξη που έπληξε το πεδίο της φυσικής στερεάς κατάστασης από την ανακάλυψη του 2004 ότι ένα άθικτο φύλλο ατόμων άνθρακα - γραφένιο - θα μπορούσε να αφαιρεθεί από ένα μπλοκ γραφίτη με ένα κομμάτι ταινίας Scotch, έργο που αργότερα βραβεύτηκε Βραβείο Νόμπελ. Και έχει πυροδοτήσει μια ξέφρενη κούρσα μεταξύ των φυσικών συμπυκνωμένης ύλης για να εξερευνήσουν, να εξηγήσουν και να επεκτείνουν τα αποτελέσματα του MIT, τα οποία έκτοτε έχουν επαναληφθεί σε πολλά εργαστήρια.

Η παρατήρηση της υπεραγωγιμότητας έχει δημιουργήσει μια απροσδόκητη παιδική χαρά για τους φυσικούς. Οι πρακτικοί στόχοι είναι προφανείς:να φωτίσει μια πορεία προς την υπεραγωγιμότητα υψηλότερης θερμοκρασίας, να εμπνεύσει νέους τύπους συσκευών που θα μπορούσαν να φέρουν επανάσταση στα ηλεκτρονικά ή ίσως ακόμη και να επιταχύνουν την άφιξη των κβαντικών υπολογιστών. Αλλά πιο διακριτικά, και ίσως πιο σημαντικό, η ανακάλυψη έδωσε στους επιστήμονες μια σχετικά απλή πλατφόρμα για την εξερεύνηση των εξωτικών κβαντικών επιδράσεων. «Υπάρχει μια σχεδόν απογοητευτική αφθονία πλούτου για τη μελέτη της νέας φυσικής στην πλατφόρμα της μαγικής γωνίας», είπε ο Κόρι Ντιν, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια που ήταν από τους πρώτους που επανέλαβε την έρευνα.

Όλα αυτά έχουν αφήσει τον Jarillo-Herrero να αγωνίζεται να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις του να βρεθεί ξαφνικά μπροστά σε ένα καυτό γήπεδο που έχει ήδη συγκεντρώσει το δικό του όνομα - «twistronics». «Πιθανώς περισσότερες από 30 ομάδες αρχίζουν να εργάζονται πάνω σε αυτό», είπε. «Σε τρία χρόνια θα είναι εκατό. Το χωράφι κυριολεκτικά εκρήγνυται». Λοιπόν, ίσως όχι κυριολεκτικά, αλλά με κάθε άλλο τρόπο, φαίνεται. Είναι τόσο γεμάτος από αιτήματα να μοιραστεί τις τεχνικές του και να δώσει ομιλίες, που σχεδόν ο τριπλασιασμός του προγράμματος ομιλιών του μόλις και μετά βίας έκανε ένα βήμα στη ροή των προσκλήσεων. Ακόμη και οι μαθητές του απορρίπτουν τις προτάσεις ομιλίας. Στην ετήσια συνεδρίαση της American Physical Society τον Μάρτιο, βρισκόταν όρθιος μόνο στη συνεδρίασή του, αφήνοντας ένα πλήθος έξω από τις πόρτες με την ελπίδα να πιάσει απόσπασμα της ομιλίας.

Για να ξεγελάσει την εκπληκτική παρατήρηση, η ομάδα του έπρεπε να καταγράψει μια ακριβή και τρομακτικά άπιαστη συστροφή στα στρώματα σχεδόν ακριβώς 1,1 μοιρών. Αυτή η «μαγική» γωνία είχε από καιρό υποψιαστεί ότι είχε ιδιαίτερο ενδιαφέρον στο συνεστραμμένο γραφένιο διπλής στιβάδας. Αλλά κανείς δεν είχε προβλέψει ότι θα ήταν αυτό ενδιαφέρων. «Θα ήταν τρελό να προβλέψουμε την υπεραγωγιμότητα με βάση αυτά που γνωρίζαμε», δήλωσε ο Antonio Castro Neto, φυσικός στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σιγκαπούρης. "Αλλά η επιστήμη προχωρά όχι όταν καταλαβαίνουμε κάτι, αλλά όταν συμβαίνει κάτι εντελώς απροσδόκητο στο πείραμα."

Πέρα από την πίστη

Ο Κάστρο Νέτο θα το ήξερε. Το 2007 πρότεινε ότι η συμπίεση δύο κακώς ευθυγραμμισμένων φύλλων γραφενίου μαζί θα μπορούσε να παράγει κάποιες νέες ιδιότητες. (Αργότερα πρότεινε ότι το γραφένιο θα μπορούσε ενδεχομένως να γίνει υπεραγώγιμο κάτω από ορισμένες συγκεκριμένες συνθήκες. «Απλώς ποτέ δεν συνδύασα τις δύο ιδέες», είπε με θλίψη.)

Αρκετές ομάδες στις ΗΠΑ και την Ευρώπη μελετούσαν σύντομα τις ιδιότητες του συνεστραμμένου γραφενίου διπλής στιβάδας και το 2011, ο Allan MacDonald, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τέξας, στο Austin, προέτρεψε τους συναδέλφους του να αναζητήσουν ενδιαφέρουσα συμπεριφορά σε μια συγκεκριμένη «μαγική γωνία». ” Όπως και άλλοι θεωρητικοί, ο MacDonald είχε επικεντρωθεί στο πώς η κακή ευθυγράμμιση των δύο φύλλων δημιουργεί ένα μοτίβο μουαρέ που εξαρτάται από τη γωνία - δηλαδή, ένα περιοδικό πλέγμα από σχετικά γιγάντια κύτταρα, καθένα από τα οποία αποτελείται από χιλιάδες κρυσταλλικά κύτταρα γραφενίου στα δύο φύλλα. Αλλά εκεί που άλλοι αγωνίζονταν με την τεράστια υπολογιστική πολυπλοκότητα του προσδιορισμού του τρόπου με τον οποίο ένα ηλεκτρόνιο θα επηρεαζόταν από τα χιλιάδες άτομα σε μια κυψέλη moiré, ο MacDonald χρησιμοποίησε μια απλοποιητική ιδέα.

Υπολόγισε ότι το ίδιο το κύτταρο μουαρέ θα είχε μια ιδιότητα που ποικίλλει αυστηρά ανάλογα με τη γωνία περιστροφής, λίγο πολύ ανεξάρτητα από τις λεπτομέρειες των ατόμων που το αποτελούσαν. Αυτή η ιδιότητα ήταν κρίσιμη:η ποσότητα ενέργειας που ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο στο κύτταρο θα έπρεπε να κερδίσει ή να διοχετεύσει στη σήραγγα μεταξύ των δύο φύλλων γραφενίου. Αυτή η διαφορά ενέργειας ήταν συνήθως αρκετή για να χρησιμεύσει ως εμπόδιο στη διάνοιξη σήραγγας μεταξύ φύλλων. Αλλά ο MacDonald υπολόγισε ότι καθώς η γωνία περιστροφής μείωσε από μια μεγαλύτερη, η ενέργεια της σήραγγας θα συρρικνωθεί και τελικά θα εξαφανιζόταν εντελώς σε 1,1 μοίρες ακριβώς.

Καθώς αυτή η ενέργεια της σήραγγας γινόταν μικρή, τα ηλεκτρόνια στα φύλλα θα επιβραδύνουν και θα συσχετίζονται έντονα μεταξύ τους. Ο ΜακΝτόναλντ δεν ήξερε ακριβώς τι θα συνέβαινε τότε. Ίσως τα εξαιρετικά αγώγιμα φύλλα γραφενίου να μετατραπούν σε μονωτές, υπέθεσε, ή η συστροφή θα προκαλούσε μαγνητικές ιδιότητες. «Ειλικρινά δεν είχα τα εργαλεία για να πω με βεβαιότητα τι θα συνέβαινε σε αυτό το είδος ισχυρά συσχετιζόμενου συστήματος», είπε ο MacDonald. "Σίγουρα η υπεραγωγιμότητα είναι αυτό που ελπίζετε να δείτε, αλλά δεν είχα το θράσος να το προβλέψω."

Οι ιδέες του ΜακΝτόναλντ σε μεγάλο βαθμό έπεσαν στο έδαφος. Όταν υπέβαλε την εργασία του για δημοσίευση, οι κριτές χαρακτήρισαν τις απλουστευτικές του υποθέσεις ως αβάσιμες και η εργασία απορρίφθηκε από πολλά περιοδικά πριν φτάσει στο Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών . Στη συνέχεια, αφού κυκλοφόρησε, λίγοι πειραματιστές το ακολούθησαν. «Δεν ήμουν σίγουρος τι θα πάρουμε από αυτό», είπε ο Ντιν. "Έμοιαζε σαν εικασία, οπότε το αφήσαμε στην άκρη."

Επίσης, αργός να ακολουθήσει τη μαγική γωνία ήταν ο Philip Kim, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και ένα είδος πρύτανη του πειραματικού πεδίου γραφενίου συνεστραμμένου διπλού στρώματος. (Τόσο ο Dean όσο και ο Jarillo-Herrero ήταν μεταδιδάκτορες στο εργαστήριό του.) «Νόμιζα ότι η θεωρία του Allan ήταν πολύ απλή», είπε. «Και όπως οι περισσότεροι πειραματιστές, σκέφτηκα ότι μάλλον δεν ήταν δυνατό να ελέγξω τη γωνία αρκετά καλά. Οι άνθρωποι άρχισαν να το ξεχνούν». Στην πραγματικότητα, είπε ο Kim, αυτός και πολλοί άλλοι στον τομέα ήταν σχεδόν έτοιμοι να προχωρήσουν από το συνεστραμμένο διπλοστιβαδικό γραφένιο εντελώς, νιώθοντας ότι άλλα νέα υλικά μπορεί να παρουσιάζουν πιο συναρπαστικές ευκαιρίες.

Όχι ο Jarillo-Herrero. Δούλευε ήδη σε στριμμένο γραφένιο διπλής στιβάδας για ένα χρόνο, όταν δημοσιεύτηκε η πρόβλεψη του MacDonald το 2011, και ήταν πεπεισμένος ότι υπήρχε κάτι σε αυτό - ακόμα και όταν ένας συνάδελφος προσπάθησε να τον προειδοποιήσει ως πιθανό χάσιμο χρόνου. «Προσπαθούμε να είμαστε τολμηροί σε αυτό το εργαστήριο και έχουμε καλή όσφρηση», είπε ο Jarillo-Herrero. "Αυτό ήταν σωστό."

Η πρόκληση, ήξερε, θα ήταν να δημιουργηθεί ένα εξαιρετικά καθαρό, εξαιρετικά ομοιογενές ζεύγος φύλλων γραφενίου που θα ξεπεράσει τη φυσική αντίθεση του υλικού στη διατήρηση γωνίας 1,1 μοιρών. Τα φύλλα γραφενίου δείχνουν μια ισχυρή τάση να ευθυγραμμίζονται μεταξύ τους. Και όταν πιέζονται σε θέση μετατόπισης, τα υπερεύκαμπτα φύλλα τείνουν να παραμορφώνονται.

Η ομάδα του Jarillo-Herrero προχώρησε στη στίλβωση κάθε πτυχής της διαδικασίας κατασκευής:από τη δημιουργία και τον καθαρισμό των φύλλων, μέχρι την ευθυγράμμισή τους στη σωστή γωνία, μέχρι το πάτημά τους στη θέση τους. Οι μετρήσεις έπρεπε να γίνουν σχεδόν στο κενό για να αποφευχθεί η μόλυνση και τα αποτελέσματα έπρεπε να ψύχονται σε μερικούς βαθμούς απόλυτο μηδέν για να έχουμε καλή πιθανότητα να δούμε συσχετισμένη συμπεριφορά ηλεκτρονίων — σε υψηλότερες θερμοκρασίες τα ηλεκτρόνια κινούνται πολύ ενεργητικά για να έχουν ευκαιρία για έντονη αλληλεπίδραση.

Το εργαστήριο παρήγαγε δεκάδες «συσκευές» στριμμένου γραφενίου διπλής στιβάδας, όπως τις αποκαλούν οι ερευνητές, αλλά καμία από αυτές δεν έδειξε σημαντικές ενδείξεις συσχέτισης ηλεκτρονίων. Στη συνέχεια, το 2014, ένας από τους μαθητές του έφερε μια συσκευή που όταν εκτέθηκε σε ηλεκτρικό πεδίο έδειξε σημάδια μονωτικών ιδιοτήτων που μοιάζουν με γραφένιο. Ο Jarillo-Herrero απλώς άφησε τη συσκευή στην άκρη και συνέχισε να φτιάχνει νέες. «Οι συσκευές μας είναι περίπλοκες. Μπορεί να έχετε αναποδογυρισμένες άκρες και άλλα ελαττώματα που δίνουν περίεργα αποτελέσματα που δεν έχουν καμία σχέση με τη νέα φυσική», εξηγεί. «Αν δεις κάτι ενδιαφέρον μια φορά, δεν του δίνεις σημασία. Αν το ξαναδείς, προσέχεις.”

Το καλοκαίρι του 2017, ο διδακτορικός φοιτητής Yuan Cao, ο οποίος σε ηλικία 21 ετών ήταν ήδη στο τρίτο έτος του μεταπτυχιακού στο MIT, έφερε στον Jarillo-Herrero μια νέα συσκευή που του έδωσε λόγο να δώσει προσοχή. Όπως και πριν, ένα ηλεκτρικό πεδίο μετέτρεψε τη συσκευή σε μονωτή. Αλλά αυτή τη φορά προσπάθησαν να ανεβάσουν το πεδίο ψηλότερα και ξαφνικά άλλαξε ξανά — σε υπεραγωγό.

Το εργαστήριο πέρασε τους επόμενους έξι μήνες αντιγράφοντας τα αποτελέσματα και ολοκληρώνοντας τις μετρήσεις. Η εργασία έγινε με αυστηρή μυστικότητα, ένα διάλειμμα από την τυπικά εξαιρετικά ανοιχτή και συνεργατική κουλτούρα του πεδίου στριμμένης διπλής στιβάδας γραφενίου. «Δεν είχα κανέναν τρόπο να ξέρω ποιος άλλος μπορεί να είναι κοντά στην υπεραγωγιμότητα», είπε ο Jarillo-Herrero. "Μοιραζόμαστε ιδέες και δεδομένα συνεχώς σε αυτόν τον τομέα, αλλά είμαστε επίσης πολύ ανταγωνιστικοί."

Τον Ιανουάριο του 2018, με την προετοιμασία μιας εργασίας, κάλεσε έναν συντάκτη στο Nature , εξήγησε τι είχε και εξαρτούσε την υποβολή του από το ότι το περιοδικό θα συμφωνούσε σε μια διαδικασία αναθεώρησης μιας εβδομάδας — ένας φίλος του είχε πει ότι μια από τις σημαντικότερες εργασίες του CRISPR είχε λάβει αυτή την εξαιρετική μεταχείριση. Το περιοδικό συμφώνησε και το χαρτί διεξήγαγε την βιαστική αξιολόγηση.

Ο Jarillo-Herrero έστειλε ένα email προδημοσίευσης στον MacDonald, ο οποίος δεν ήξερε καν ότι ο Jarillo-Herrero κυνηγούσε επίμονα τη μαγική γωνία. «Δεν μπορούσα να το πιστέψω», είπε ο ΜακΝτόναλντ. «Εννοώ ότι το βρήκα πραγματικά πέρα ​​από την πεποίθηση». Ο Ντιν το έμαθε μαζί με την υπόλοιπη κοινότητα της φυσικής σε ένα συνέδριο τον Μάρτιο του 2018, ακριβώς την εποχή που η Φύση βγήκε χαρτί. «Τα αποτελέσματα μου απέδειξαν ότι έκανα θεαματικά λάθος», είπε ο Ντιν.

Η τέλεια παιδική χαρά

Οι φυσικοί είναι ενθουσιασμένοι με το γραφένιο διπλής στιβάδας με μαγική γωνία, όχι επειδή είναι πιθανό να είναι ένας πρακτικός υπεραγωγός, αλλά επειδή είναι πεπεισμένοι ότι μπορεί να φωτίσει τις μυστηριώδεις ιδιότητες της ίδιας της υπεραγωγιμότητας. Πρώτον, το υλικό φαίνεται να δρα ύποπτα σαν χαλκό, ένα είδος εξωτικού κεραμικού στο οποίο η υπεραγωγιμότητα μπορεί να συμβεί σε θερμοκρασίες έως περίπου 140 Kelvin, ή στα μισά του δρόμου μεταξύ του απόλυτου μηδέν και της θερμοκρασίας δωματίου. Επιπλέον, τα ξαφνικά άλματα στο συνεστραμμένο γραφένιο διπλής στιβάδας - από το αγώγιμο στο μονωτικό σε το υπεραγώγιμο - με μόνο ένα τσίμπημα ενός εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου δείχνουν ότι τα ελεύθερα ηλεκτρόνια επιβραδύνονται σε μια εικονική στάση, σημειώνει ο φυσικός Ντμίτρι Εφέτοφ του Ινστιτούτου Φωτονικών Επιστημών (ICFO). ) στη Βαρκελώνη της Ισπανίας. «Όταν σταματούν, [τα ηλεκτρόνια] αλληλεπιδρούν ακόμη πιο έντονα», είπε. «Τότε μπορούν να ζευγαρώσουν και να σχηματίσουν ένα υπερρευστό». Αυτή η κατάσταση ηλεκτρονίων που μοιάζει με ρευστό θεωρείται βασικό χαρακτηριστικό όλων των υπεραγωγών.

Ο κύριος λόγος που 30 χρόνια μελέτης των χαλκού έχει ρίξει σχετικά λίγο φως στο φαινόμενο είναι ότι οι χαλκούδες είναι πολύπλοκοι κρύσταλλοι πολλαπλών στοιχείων. «Είναι ελάχιστα κατανοητά υλικά», είπε ο Εφέτοφ, σημειώνοντας ότι υπεραγωγούν μόνο όταν είναι επακριβώς εμποτισμένα με ακαθαρσίες κατά την απαιτητική κατασκευή τους, προκειμένου να προσθέσουν ελεύθερα ηλεκτρόνια. Το συνεστραμμένο γραφένιο διπλής στοιβάδας, από την άλλη πλευρά, δεν είναι τίποτα άλλο παρά άνθρακας και το «ντόπινγκ» του με περισσότερα ηλεκτρόνια απαιτεί απλώς την εφαρμογή ενός εύκολα μεταβαλλόμενου ηλεκτρικού πεδίου. «Αν υπάρχει κάποιο σύστημα στο οποίο μπορούμε να ελπίζουμε ότι θα κατανοήσουμε τα ισχυρά συσχετισμένα ηλεκτρόνια, είναι αυτό», είπε ο Jarillo-Herrero. «Αντί να χρειάζεται να καλλιεργούμε διαφορετικούς κρυστάλλους, απλώς γυρίζουμε ένα κουμπί τάσης ή ασκούμε μεγαλύτερη πίεση με τα γραμματόσημα ή αλλάζουμε τη γωνία περιστροφής». Ένας μαθητής μπορεί να προσπαθήσει να αλλάξει το ντόπινγκ σε μια ώρα σχεδόν χωρίς κόστος, σημειώνει, σε σύγκριση με τους μήνες και τα δεκάδες χιλιάδες δολάρια που μπορεί να χρειαστούν για να δοκιμάσει ένα ελαφρώς διαφορετικό σχήμα ντόπινγκ σε ένα cuprate.

Επίσης μοναδικός, είπε ο MacDonald, είναι ο μικρός αριθμός ηλεκτρονίων που φαίνεται να κάνουν τη βαριά ανύψωση στο γραφένιο διπλής στιβάδας με μαγική γωνία - περίπου ένα για κάθε 100.000 άτομα άνθρακα. «Είναι άνευ προηγουμένου να βλέπουμε υπεραγωγιμότητα σε τόσο χαμηλή πυκνότητα ηλεκτρονίων», είπε. «Είναι χαμηλότερο από οτιδήποτε άλλο έχουμε δει κατά τουλάχιστον μια τάξη μεγέθους». Πάνω από 100 εργασίες έχουν εμφανιστεί στον επιστημονικό διακομιστή προεκτύπωσης arxiv.org που προσφέρουν θεωρίες για να εξηγήσουν τι μπορεί να συμβαίνει στο γραφένιο διπλής στιβάδας με μαγική γωνία. Ο Andrei Bernevig, ένας θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον, το αποκαλεί «μια τέλεια παιδική χαρά» για την εξερεύνηση της συσχετισμένης φυσικής.

Οι φυσικοί φαίνονται πρόθυμοι να το παίξουν. Εκτός από το ότι είναι σε θέση να αναποδογυρίζει μεταξύ των άκρων στην αγωγιμότητα με ένα κυριολεκτικό πάτημα ενός κουμπιού, σημειώνει η Rebeca Ribeiro-Palau, φυσικός στο Κέντρο Νανοεπιστήμης και Νανοτεχνολογίας κοντά στο Παρίσι, υπάρχουν ήδη καλές ενδείξεις ότι οι μαγνητικές, θερμικές και οπτικές ιδιότητες του συνεστραμμένου διπλού στρώματος γραφενίου μπορούν να ωθηθεί σε εξωτικές συμπεριφορές όσο πιο εύκολα μπορούν οι ηλεκτρονικές του ιδιότητες. «Καταρχήν, μπορείτε να ενεργοποιήσετε και να απενεργοποιήσετε οποιαδήποτε ιδιότητα της ύλης», είπε. Ο MacDonald επισημαίνει, για παράδειγμα, ότι ορισμένες από τις μονωτικές καταστάσεις στο συνεστραμμένο διπλοστοιβαδικό γραφένιο φαίνεται να συνοδεύονται από μαγνητισμό που δεν προκύπτει από τις καταστάσεις κβαντικής σπιν των ηλεκτρονίων, όπως συμβαίνει συνήθως, αλλά εξ ολοκλήρου από την τροχιακή τους γωνιακή ορμή. θεωρητικοποιημένος αλλά ποτέ πριν-παρατηρηθείς τύπος μαγνητισμού.

Η επερχόμενη εποχή των Twistronics

Τώρα που η ομάδα του Jarillo-Herrero έχει αποδείξει ότι οι μαγικές γωνίες είναι ένα πράγμα, οι φυσικοί προσπαθούν να εφαρμόσουν την προσέγγιση twistronics σε άλλες διαμορφώσεις του γραφενίου. Η ομάδα του Kim έχει πειραματιστεί με τη συστροφή δύο διπλών στρωμάτων γραφενίου και έχει ήδη βρει στοιχεία υπεραγωγιμότητας και συσχετισμένης φυσικής. Άλλοι στοιβάζουν τρία ή περισσότερα στρώματα γραφενίου με την ελπίδα να αποκτήσουν υπεραγωγιμότητα σε άλλες μαγικές γωνίες, ή ίσως ακόμη και όταν είναι ευθυγραμμισμένα. Ο Bernevig υποστηρίζει ότι καθώς τα στρώματα στοιβάζονται όλο και πιο ψηλά, οι φυσικοί μπορεί να είναι σε θέση να πάρουν τη θερμοκρασία της υπεραγωγιμότητας για να ανέβει μαζί της. Άλλες μαγικές γωνίες μπορεί επίσης να παίξουν κάποιο ρόλο. Ορισμένες ομάδες σφίγγουν τα φύλλα πιο σφιχτά μεταξύ τους για να αυξήσουν τη μαγική γωνία, καθιστώντας ευκολότερη την επίτευξή της, ενώ ο MacDonald προτείνει ότι ακόμη πιο πλούσια φυσική μπορεί να εμφανιστούν σε μικρότερες, αν και πολύ πιο δύσκολο να στοχεύσετε, μαγικές γωνίες.

Εν τω μεταξύ, άλλα υλικά έρχονται στην εικόνα του twistronics. Οι ημιαγωγοί και τα μεταβατικά μέταλλα μπορούν να εναποτεθούν σε συνεστραμμένα στρώματα και θεωρούνται καλοί υποψήφιοι για συσχετισμένη φυσική — ίσως καλύτερα από το συνεστραμμένο γραφένιο διπλής στιβάδας. «Οι άνθρωποι σκέφτονται εκατοντάδες υλικά που μπορούν να χειραγωγηθούν με αυτόν τον τρόπο», είπε ο Εφέτοφ. "Το κουτί της Πανδώρας άνοιξε."

Ο Dean και ο Efetov είναι μεταξύ εκείνων που επιμένουν με αυτό που θα μπορούσε να ονομαστεί ήδη κλασικό twistronic, με την ελπίδα να ενισχύσουν τα συσχετισμένα εφέ σε συσκευές γραφενίου διπλής στρώσης στριμμένης με μαγική γωνία, εξομαλύνοντας κυριολεκτικά τις ρυτίδες στην κατασκευή τους. Επειδή δεν υπάρχει χημικός δεσμός για να μιλήσουμε μεταξύ των δύο στρωμάτων και επειδή τα ελαφρώς μετατοπισμένα στρώματα προσπαθούν να ευθυγραμμιστούν, αναγκάζοντάς τα να κρατήσουν μια συστροφή μαγικής γωνίας δημιουργεί πιέσεις που οδηγούν σε υπομικροσκοπικούς λόφους, κοιλάδες και στροφές. Αυτές οι τοπικές παραμορφώσεις σημαίνουν ότι ορισμένες περιοχές της συσκευής ενδέχεται να βρίσκονται εντός του μαγικού εύρους των γωνιών συστροφής, ενώ άλλες περιοχές δεν είναι. «Δοκίμασα να κολλήσω τις άκρες των στρωμάτων, αλλά εξακολουθούν να υπάρχουν τοπικές παραλλαγές», παραπονέθηκε. "Τώρα προσπαθώ να βρω τρόπους για να ελαχιστοποιήσω την αρχική καταπόνηση όταν τα στρώματα συμπιέζονται μεταξύ τους." Ο Efetov ανέφερε πρόσφατα πρόοδο στο να κάνει ακριβώς αυτό, και τα αποτελέσματα έχουν ήδη αποδώσει σε νέες υπεραγώγιμες καταστάσεις σε θερμοκρασίες περίπου 3 βαθμών Κέλβιν, ή δύο φορές υψηλότερες από ό,τι παρατηρήθηκε προηγουμένως.

Έχοντας ξεπεράσει κατά πολύ το προβάδισμα του πεδίου στριμμένης διπλής στιβάδας γραφενίου με εκπληκτικό τρόπο, ο Jarillo-Herrero δεν κάθεται και περιμένει τους άλλους να προλάβουν. Η κύρια εστίαση του εργαστηρίου του παραμένει η προσπάθεια να εξαναγκάσει ολοένα και πιο εξωτική συμπεριφορά από στριμμένο διπλοστιβαδικό γραφένιο, εκμεταλλευόμενος το γεγονός ότι μέσω μακρών δοκιμών και σφαλμάτων αύξησε την απόδοσή του σε υπεραγώγιμα δείγματα σε σχεδόν 50 τοις εκατό. Οι περισσότερες άλλες ομάδες αγωνίζονται με αποδόσεις κατά το ένα δέκατο ή λιγότερο. Δεδομένου ότι χρειάζονται περίπου δύο εβδομάδες για την κατασκευή και τη δοκιμή μιας συσκευής, αυτό είναι ένα τεράστιο πλεονέκτημα παραγωγικότητας. «Πιστεύουμε ότι μόλις αρχίζουμε να βλέπουμε όλες τις συναρπαστικές καταστάσεις που θα προκύψουν από αυτά τα συστήματα γραφενίου με μαγική γωνία», είπε. "Υπάρχει ένας τεράστιος χώρος φάσης για εξερεύνηση." Αλλά για να καλύψει τις βάσεις του, τράβηξε το εργαστήριό του για να εξερευνήσει επίσης τα twistronics σε άλλα υλικά.

Το διακύβευμα στον αγώνα για την κατασκευή υπεραγωγών που είναι ευκολότεροι, με καλύτερη απόδοση και υψηλότερη θερμοκρασία είναι τεράστιο. Εκτός από το συχνά προκαλούμενο όραμα των αιωρούμενων τρένων, η μείωση της απώλειας ενέργειας στη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας θα τονώσει τις οικονομίες και θα μειώσει δραστικά τις επιβλαβείς εκπομπές σε όλο τον κόσμο. Η κατασκευή Qubit θα μπορούσε ξαφνικά να γίνει πρακτική, ίσως εγκαινιάζοντας την άνοδο των κβαντικών υπολογιστών. Ακόμη και χωρίς υπεραγωγιμότητα, οι συνηθισμένοι υπολογιστές και άλλα ηλεκτρονικά θα μπορούσαν να έχουν τεράστια ώθηση στην απόδοση σε σχέση με το κόστος από τα twistronic, λόγω του γεγονότος ότι ολόκληρα πολύπλοκα ηλεκτρονικά κυκλώματα θα μπορούσαν θεωρητικά να ενσωματωθούν σε μερικά φύλλα καθαρού άνθρακα, χωρίς να χρειάζονται καμιά ντουζίνα ή πιο περίπλοκα χαραγμένα στρώματα απαιτητικών υλικών που είναι κοινά στα σημερινά τσιπ. «Θα μπορούσατε να ενσωματώσετε πολύ διαφορετικές ιδιότητες της ύλης σε αυτά τα κυκλώματα το ένα δίπλα στο άλλο και να τις διαφοροποιήσετε ανάλογα με τα τοπικά ηλεκτρικά πεδία», είπε ο Ντιν. «Δεν βρίσκω λόγια για να περιγράψω πόσο βαθύ είναι αυτό. θα έπρεπε να φτιάξω κάτι. Ίσως δυναμική μηχανική υλικών;»

Ωστόσο, αυτές οι ελπίδες τελικά εξαφανίζονται, προς το παρόν ο ενθουσιασμός στο στριμμένο διπλοστοιβάδα γραφένιο φαίνεται να δημιουργείται μόνο. «Μερικοί μπορεί να ντρέπονται να το πουν, αλλά εγώ δεν είμαι», είπε ο Κάστρο Νέτο. «Αν ο τομέας συνεχίσει να πηγαίνει όπως είναι τώρα, κάποιος θα πάρει ένα βραβείο Νόμπελ από αυτό». Αυτού του είδους οι συζητήσεις είναι πιθανώς πρόωρες, αλλά ακόμη και χωρίς αυτήν υπάρχει μεγάλη πίεση στον Jarillo-Herrero. «Αυτό που έκανε το εργαστήριό μου δημιουργεί μη ρεαλιστικές προσδοκίες», παραδέχεται. «Όλοι φαίνεται να πιστεύουν ότι θα κάνουμε μια νέα ανακάλυψη κάθε χρόνο». Είναι σίγουρα αποφασισμένος να κάνει περαιτέρω σημαντικές συνεισφορές, είπε, αλλά προβλέπει ότι όποια και αν είναι η επόμενη ηλεκτρισμένη ανακάλυψη, είναι τόσο πιθανό να βγει από ένα διαφορετικό εργαστήριο όσο και δικό του. «Το έχω ήδη αποδεχτεί ως γεγονός και είμαι εντάξει με αυτό», είπε. "Θα ήταν βαρετό να βρίσκεσαι σε έναν τομέα όπου είσαι ο μόνος που το προχωράει."

Διευκρίνιση 9 Μαρτίου 2019:Μια παλαιότερη έκδοση αυτού του άρθρου αναφερόταν στην «βραβευμένη με Νόμπελ 2004 ανακάλυψη» του γραφενίου. Η ανακάλυψη έγινε το 2004, αλλά το Νόμπελ ήρθε αργότερα. Η πρόταση έχει αναθεωρηθεί για να γίνει αυτό σαφές.