Moiré-heterostructuur
Leg twee hordeuren van fijn gaas over elkaar en draai er een een klein beetje. Opeens zie je een heel ander, veel grover patroon van lichte en donkere vlekken ontstaan, terwijl beide hordeuren zelf nog steeds gewoon fijn gaas zijn. Dat grove patroon heet een moiré-patroon: het is geen eigenschap van één van de gaasjes, maar van de manier waarop twee regelmatige patronen elkaar overlappen en net niet precies op elkaar passen.
Een moiré-heterostructuur is het natuurkundige broertje van dat gaas-trucje, maar dan met kristallagen die maar één atoom dik zijn. Onderzoekers leggen zo'n laag bovenop een andere, draaien hem een fractie van een graad, en krijgen daardoor een nieuw, veel groter rooster van elektrische 'vlekken' waarin elektronen zich compleet anders gedragen dan in de losse laagjes. Die kleine draai kan, verrassend genoeg, een gewoon materiaal in een supergeleider veranderen of in een magneet die er normaal nooit een zou worden.
Wat is het precies?
De basisbouwstenen zijn tweedimensionale materialen: kristallen die slechts één laag atomen dik zijn. Het bekendste voorbeeld is grafeen, een laag koolstofatomen in een honingraatpatroon. Andere veelgebruikte materialen zijn hexagonaal boornitride (een soort isolerend 'grafeen' van boor en stikstof) en transitiemetaaldichalcogeniden zoals wolfraamdiselenide (WSe2) of molybdeensulfide (MoS2), die ook in dunne, honingraatachtige lagen voorkomen.
Deze lagen kun je los van elkaar maken en daarna weer op elkaar stapelen, zonder dat er chemische bindingen tussen de lagen ontstaan. Ze blijven bij elkaar dankzij een zwakke aantrekkingskracht die van der Waals-kracht heet, vandaar de naam van der Waals-heterostructuur voor zo'n stapel van verschillende 2D-materialen. Een 'heterostructuur' is simpelweg een gestapelde structuur van verschillende materialen.
Het bijzondere gebeurt als je de tweede laag niet recht op de eerste legt, maar onder een kleine twist-hoek draait, vaak maar één of twee graden. Omdat de twee atomaire roosters dan niet meer precies samenvallen, ontstaat er een moiré-superrooster: een nieuw, veel grover periodiek patroon dat zich over tientallen tot honderden atomen uitstrekt, terwijl het atomaire rooster zelf nog gewoon de oorspronkelijke, fijne afstand heeft.
Voor elektronen in het materiaal voelt dat moiré-superrooster als een heel nieuw landschap van heuvels en dalen, los van de atomen zelf. Bij bepaalde, zogeheten 'magische' hoeken wordt dat landschap zo extreem dat elektronen nauwelijks meer kunnen bewegen: hun energie hangt dan vrijwel niet meer af van hun snelheid. Natuurkundigen noemen dit vlakke banden (flat bands). Omdat de elektronen zo traag worden, gaat de onderlinge afstoting tussen elektronen (die normaal verwaarloosbaar is vergeleken met hun bewegingsenergie) plotseling de hoofdrol spelen. Dat heet sterk gecorreleerd elektronengedrag, en het is de kiem van exotische verschijnselen zoals supergeleiding en magnetisme die in de losse lagen afzonderlijk niet voorkomen.
Wat wil men ermee bereiken?
Van oudsher verander je de eigenschappen van een materiaal door er andere atomen in te mengen (doperen) of door het chemisch te bewerken. Een moiré-heterostructuur biedt een alternatief: door simpelweg de twist-hoek of de druk tussen de lagen aan te passen, verschuif je de eigenschappen van het materiaal zonder er iets aan toe te voegen. Dit afstembare karakter heeft een eigen naam gekregen: twistronics, elektronica engineeren via de draaihoek in plaats van via chemie.
Een belangrijk wetenschappelijk doel is het beter begrijpen van onconventionele supergeleiding: geleiding van elektrische stroom zonder weerstand, op een manier die niet past in het klassieke plaatje van supergeleiding uit de vorige eeuw. Diezelfde vraag speelt al decennia bij zogeheten hoge-temperatuur-supergeleiders, maar die materialen zijn chemisch complex en moeilijk te bestuderen. Moiré-systemen zijn veel 'schoner' en instelbaar, waardoor ze als een soort speelgoedmodel dienen om de onderliggende natuurkunde te snappen.
Daarnaast hopen onderzoekers exotische topologische toestanden te vinden: elektronentoestanden met ongewone, robuuste eigenschappen die in de toekomst nuttig zouden kunnen zijn voor kwantumtechnologie. In optisch actieve moiré-materialen, zoals gestapelde transitiemetaaldichalcogeniden, probeert men bovendien gecontroleerde kwantumlichtbronnen te maken: piepkleine 'vallen' in het moiré-landschap die één lichtdeeltje (foton) tegelijk kunnen uitzenden, een belangrijk ingrediënt voor kwantumcommunicatie.
Voorbeelden uit de praktijk
Het veld kreeg een enorme impuls in 2018, toen de groep van Pablo Jarillo-Herrero aan het MIT twee artikelen in Nature publiceerde over 'magic-angle' twisted bilayer grafeen: twee lagen grafeen gestapeld onder een hoek van ongeveer 1,1 graad. Bij die specifieke hoek zagen de onderzoekers zowel een gecorreleerde isolatortoestand als, bij iets andere elektronendichtheid, supergeleiding opduiken in een materiaal dat uit niets anders dan koolstof bestond.
In 2021 lieten de groep van Jarillo-Herrero en onafhankelijk de groep van Dmitri Efetov aan ICFO in Barcelona zien dat gedraaide drielaagse grafeenstapels (twisted trilayer graphene) nog robuustere supergeleiding konden vertonen dan de oorspronkelijke tweelaagse versie, met een hogere kritische temperatuur en meer bestendigheid tegen magneetvelden.
Rond 2019 toonden onderzoeksgroepen van onder meer Kin Fai Mak en Jie Shan aan Cornell University en Feng Wang aan UC Berkeley aan dat in gestapelde WSe2/WS2-heterostructuren het moiré-landschap elektron-gatparen, zogeheten excitonen, op vaste plekken kan vastzetten. Dat maakte regelmatige roosters van piepkleine lichtbronnen mogelijk, interessant voor kwantumoptica.
Verder lieten onderzoekers aan Cornell rond 2020 zien dat gedraaide WSe2-lagen bij bepaalde elektronendichtheden Mott-isolator-gedrag en zogeheten gegeneraliseerde Wigner-kristallen vertonen: toestanden waarin elektronen zich, puur door onderlinge afstoting, in een vast rangschikkingspatroon 'bevriezen', zonder dat er sprake is van een normaal kristalrooster dat dit afdwingt.
Hoe ver is de techniek?
Moiré-heterostructuren zijn nog volledig fundamenteel onderzoek, uitgevoerd in natuurkundelaboratoria, niet in fabrieken. De samples die onderzoekers maken zijn typisch maar enkele micrometers groot en worden met de hand of met precisie-robotica laag voor laag opgebouwd en onder een microscoop uitgelijnd op de gewenste hoek. Een afwijking van enkele tiende graden kan het verschil maken tussen wel of geen interessant effect, wat het maakproces lastig reproduceerbaar maakt.
De meest spectaculaire verschijnselen, zoals supergeleiding, zijn tot nu toe alleen waargenomen bij extreem lage temperaturen, vaak maar een fractie van een kelvin boven het absolute nulpunt, bereikt met gespecialiseerde koelapparatuur. Dat betekent dat er nog geen enkel praktisch, bij kamertemperatuur werkend apparaat op basis van deze technologie bestaat, en het is onzeker of dat ooit haalbaar wordt.
Toch is de wetenschappelijke vooruitgang sinds 2018 opvallend snel geweest: inmiddels zijn er tientallen verschillende moiré-systemen onderzocht, met twee, drie of meer gestapelde lagen, en zelfs 'moiré van moiré'-structuren met nog grotere periodieke patronen. Belangrijke open vragen, zoals het precieze mechanisme achter de supergeleiding, zijn nog niet beantwoord, en veel resultaten moeten door onafhankelijke groepen herhaald en bevestigd worden voordat ze als vaststaand gelden.
Wie werken eraan?
Het onderzoek wordt gedomineerd door een beperkt aantal gespecialiseerde universitaire laboratoria. Aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) leidt Pablo Jarillo-Herrero een van de meest invloedrijke groepen op dit terrein. Aan Columbia University werken Cory Dean en James Hone aan de stapeltechnieken en elektronische eigenschappen van van der Waals-materialen, terwijl Philip Kim dat doet aan Harvard University.
Aan UC Berkeley onderzoeken Feng Wang en Michael Crommie zowel optische als elektronische eigenschappen van moiré-systemen, en aan Cornell University richten Kin Fai Mak en Jie Shan zich sterk op moiré-excitonen in transitiemetaaldichalcogeniden. Andrea Young aan de University of California, Santa Barbara en Ali Yazdani aan Princeton University zijn eveneens vooraanstaande namen, net als Dmitri Efetov aan ICFO in Barcelona.
Buiten de Verenigde Staten en Europa dragen ook Chinese instituten, zoals de University of Science and Technology of China (USTC), en de National University of Singapore actief bij. Veel van dit onderzoek wordt gefinancierd door nationale wetenschapsfondsen zoals de Amerikaanse National Science Foundation (NSF) en het Department of Energy (DOE), en via Europese onderzoeksprogramma's.