Wanneer twee atomair dunne tweedimensionale lagen op elkaar worden gestapeld en één laag tegen de tweede laag wordt geroteerd, ze beginnen patronen te produceren - de bekende moiré-patronen - die geen van beide lagen op zichzelf kan genereren en die de doorgang van licht en elektronen vergemakkelijken, rekening houdend met materialen die ongebruikelijke verschijnselen vertonen. Bijvoorbeeld, wanneer twee grafeenlagen over elkaar heen worden gelegd en de hoek ertussen 1,1 graden is, het materiaal wordt een supergeleider.

"Het is een beetje alsof je langs een wijngaard rijdt en uit het raam kijkt naar de wijngaardrijen. Af en toe, je ziet geen rijen omdat je direct langs een rij kijkt, " zei Nathaniel Gabor, een universitair hoofddocent bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde aan de Universiteit van Californië, Rivieroever. "Dit is vergelijkbaar met wat er gebeurt als twee atomaire lagen op elkaar worden gestapeld. Bij bepaalde draaihoeken, alles is energetisch toegestaan. Het klopt precies goed om interessante mogelijkheden voor energieoverdracht mogelijk te maken."

Dit is de toekomst van nieuwe materialen die worden gesynthetiseerd door atomair dunne lagen te draaien en te stapelen, en is nog steeds in de "alchemie" fase, voegde Gabor toe. Om alles onder één dak te brengen, hij en natuurkundige Justin C.W. Song van de Nanyang Technological University, Singapore, hebben voorgesteld dit onderzoeksgebied "elektronenkwantummetamaterialen" te noemen en hebben zojuist een perspectiefartikel gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

"We benadrukken het potentieel van het construeren van synthetische periodieke arrays met kenmerkgroottes onder de golflengte van een elektron. Door dergelijke engineering kunnen de elektronen op ongebruikelijke manieren worden gemanipuleerd, wat resulteert in een nieuwe reeks synthetische kwantummetamaterialen met onconventionele reacties, ' zei Gabor.

Metamaterialen zijn een materiaalklasse die is ontworpen om eigenschappen te produceren die van nature niet voorkomen. Voorbeelden zijn optische verhulapparaten en superlenzen die lijken op de Fresnel-lens die vuurtorens gebruiken. Natuur, te, heeft dergelijke technieken overgenomen, bijvoorbeeld in de unieke kleur van vlindervleugels - om fotonen te manipuleren terwijl ze door structuren op nanoschaal bewegen.

"In tegenstelling tot fotonen die nauwelijks met elkaar interageren, echter, elektronen in subgolflengte gestructureerde metamaterialen worden geladen, en ze hebben een sterke wisselwerking, " Zei Gabor. "Het resultaat is een enorme verscheidenheid aan opkomende verschijnselen en radicaal nieuwe klassen van op elkaar inwerkende kwantummetamaterialen."

Gabor en Song waren uitgenodigd door Natuur Nanotechnologie om een ​​reviewpaper te schrijven. Maar het paar koos ervoor om dieper te graven en de fundamentele fysica uiteen te zetten die veel van het onderzoek naar elektronenkwantummetamaterialen zou kunnen verklaren. In plaats daarvan schreven ze een perspectiefdocument dat de huidige status van het veld voorstelt en de toekomst bespreekt.

"Onderzoekers, ook in onze eigen laboratoria, verschillende metamaterialen aan het verkennen waren, maar niemand had het veld zelfs maar een naam gegeven, zei Gabor, die het Quantum Materials Optoelectronics-lab leidt bij UCR. "Dat was onze bedoeling bij het schrijven van het perspectief. We zijn de eersten die de onderliggende fysica codificeren. In zekere zin, we drukken het periodiek systeem uit van dit nieuwe en opwindende veld. Het was een enorme taak om al het werk dat tot nu toe is gedaan te codificeren en een verbindend beeld te geven. De ideeën en experimenten zijn volwassen geworden, en de literatuur laat zien dat er snelle vooruitgang is geboekt bij het maken van kwantummaterialen voor elektronen. Het was tijd om alles onder één paraplu te houden en onderzoekers een routekaart te bieden voor het categoriseren van toekomstig werk."

In het perspectief, Gabor en Song verzamelen vroege voorbeelden van elektronenmetamaterialen en distilleren daaruit opkomende ontwerpstrategieën voor elektronische besturing. Ze schrijven dat een van de meest veelbelovende aspecten van het nieuwe veld optreedt wanneer elektronen in subgolflengte-structuurmonsters op elkaar inwerken om onverwacht optredend gedrag te vertonen.

"Het gedrag van supergeleiding in gedraaid dubbellaags grafeen dat naar voren kwam, was een verrassing, " zei Gabor. "Het laat zien, opmerkelijk, hoe elektroneninteracties en subgolflengtekenmerken kunnen worden gemaakt om samen te werken in kwantummetamaterialen om radicaal nieuwe fenomenen te produceren. Het zijn voorbeelden als deze die een opwindende toekomst voor elektronische metamaterialen schetsen. Zo ver, we hebben alleen de weg geëffend voor veel nieuw werk dat nog moet komen."