Lorsque deux couches bidimensionnelles atomiquement minces sont empilées l'une sur l'autre et qu'une couche est amenée à tourner contre la deuxième couche, ils commencent à produire des motifs - les motifs de moiré familiers - qu'aucune couche ne peut générer seule et qui facilitent le passage de la lumière et des électrons, permettant des matériaux qui présentent des phénomènes inhabituels. Par exemple, lorsque deux couches de graphène sont superposées et que l'angle entre elles est de 1,1 degrés, le matériau devient supraconducteur.

"C'est un peu comme passer devant un vignoble et regarder par la fenêtre les rangées de vignes. De temps en temps, vous ne voyez aucune ligne parce que vous regardez directement le long d'une ligne, " dit Nathaniel Gabor, professeur agrégé au Département de physique et d'astronomie de l'Université de Californie, Bord de rivière. « Cela ressemble à ce qui se passe lorsque deux couches atomiques sont empilées l'une sur l'autre. À certains angles de torsion, tout est énergétiquement permis. Cela s'additionne juste pour permettre des possibilités intéressantes de transfert d'énergie."

C'est l'avenir des nouveaux matériaux synthétisés par torsion et empilement de couches atomiquement minces, et est encore au stade "d'alchimie", Gabor a ajouté. Pour tout rassembler sous un même toit, lui et le physicien Justin C. W. Song de l'Université technologique de Nanyang, Singapour, ont proposé que ce domaine de recherche s'appelle "métamatériaux quantiques électroniques" et viennent de publier un article de perspective dans Nature Nanotechnologie .

"Nous soulignons le potentiel de l'ingénierie de réseaux périodiques synthétiques avec des tailles de caractéristiques inférieures à la longueur d'onde d'un électron. Une telle ingénierie permet aux électrons d'être manipulés de manière inhabituelle, résultant en une nouvelle gamme de métamatériaux quantiques synthétiques avec des réponses non conventionnelles, " a déclaré Gabor.

Les métamatériaux sont une classe de matériaux conçus pour produire des propriétés qui ne se produisent pas naturellement. Les exemples incluent les dispositifs de masquage optique et les super-lentilles semblables à la lentille de Fresnel que les phares utilisent. La nature, trop, a adopté de telles techniques - par exemple, dans la coloration unique des ailes de papillon - pour manipuler les photons lorsqu'ils se déplacent à travers des structures à l'échelle nanométrique.

"Contrairement aux photons qui interagissent à peine les uns avec les autres, cependant, les électrons dans les métamatériaux structurés en sous-longueur d'onde sont chargés, et ils interagissent fortement, " a déclaré Gabor. " Le résultat est une énorme variété de phénomènes émergents et des classes radicalement nouvelles de métamatériaux quantiques en interaction. "

Gabor et Song ont été invités par Nature Nanotechnologie rédiger un article de synthèse. Mais la paire a choisi d'approfondir et d'exposer la physique fondamentale qui peut expliquer une grande partie de la recherche sur les métamatériaux quantiques électroniques. Ils ont plutôt rédigé un document de perspective qui envisage l'état actuel du domaine et discute de son avenir.

"Des chercheurs, y compris dans nos propres laboratoires, exploraient une variété de métamatériaux mais personne n'avait donné même un nom au domaine, " dit Gabor, qui dirige le laboratoire d'optoélectronique des matériaux quantiques à l'UCR. "C'était notre intention en écrivant la perspective. Nous sommes les premiers à codifier la physique sous-jacente. D'une certaine manière, nous exprimons le tableau périodique de ce domaine nouveau et passionnant. Cela a été une tâche herculéenne de codifier tout le travail qui a été fait jusqu'à présent et de présenter une image unificatrice. Les idées et les expériences ont mûri, et la littérature montre qu'il y a eu des progrès rapides dans la création de matériaux quantiques pour les électrons. Il était temps de tout regrouper sous un même toit et d'offrir une feuille de route aux chercheurs pour catégoriser les travaux futurs. »

Dans la perspective, Gabor et Song rassemblent les premiers exemples de métamatériaux électroniques et en tirent des stratégies de conception émergentes pour le contrôle électronique. Ils écrivent que l'un des aspects les plus prometteurs du nouveau domaine se produit lorsque les électrons dans les échantillons de structure de sous-longueur d'onde interagissent pour présenter un comportement émergent inattendu.

"Le comportement de la supraconductivité dans le graphène bicouche torsadé qui a émergé était une surprise, " dit Gabor. " Ça se voit, remarquablement, comment les interactions électroniques et les caractéristiques de sous-longueur d'onde pourraient fonctionner ensemble dans des métamatériaux quantiques pour produire des phénomènes radicalement nouveaux. Ce sont des exemples comme celui-ci qui dessinent un avenir passionnant pour les métamatériaux électroniques. Jusqu'ici, nous avons seulement préparé le terrain pour beaucoup de nouveaux travaux à venir."