Quando due strati bidimensionali atomicamente sottili vengono impilati uno sopra l'altro e uno strato viene fatto ruotare contro il secondo strato, iniziano a produrre schemi - i familiari motivi moiré - che nessuno strato può generare da solo e che facilitano il passaggio della luce e degli elettroni, consentendo materiali che mostrano fenomeni insoliti. Per esempio, quando due strati di grafene sono sovrapposti e l'angolo tra loro è di 1,1 gradi, il materiale diventa un superconduttore.

"È un po' come passare davanti a un vigneto e guardare fuori dalla finestra i filari della vigna. Ogni tanto, non vedi righe perché stai guardando direttamente lungo una riga, " disse Nathaniel Gabor, professore associato presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università della California, Lungofiume. "Questo è simile a ciò che accade quando due strati atomici sono impilati uno sopra l'altro. A determinati angoli di torsione, tutto è energeticamente permesso. Si somma proprio per consentire interessanti possibilità di trasferimento di energia."

Questo è il futuro dei nuovi materiali che vengono sintetizzati torcendo e impilando strati atomicamente sottili, ed è ancora nella fase "alchemica", Aggiunse Gabor. Per portare tutto sotto lo stesso tetto, lui e il fisico Justin C. W. Song della Nanyang Technological University, Singapore, hanno proposto che questo campo di ricerca sia chiamato "metamateriali quantistici elettronici" e hanno appena pubblicato un articolo prospettico in Nanotecnologia della natura .

"Evidenziamo il potenziale dell'ingegneria di array periodici sintetici con dimensioni delle caratteristiche inferiori alla lunghezza d'onda di un elettrone. Tale ingegneria consente di manipolare gli elettroni in modi insoliti, risultando in una nuova gamma di metamateriali quantistici sintetici con risposte non convenzionali, " ha detto Gabor.

I metamateriali sono una classe di materiali progettati per produrre proprietà che non si verificano in natura. Gli esempi includono dispositivi di occultamento ottico e super-lenti simili alla lente di Fresnel utilizzata dai fari. Natura, pure, ha adottato tali tecniche, ad esempio nella colorazione unica delle ali delle farfalle, per manipolare i fotoni mentre si muovono attraverso strutture su nanoscala.

"A differenza dei fotoni che interagiscono a malapena tra loro, però, gli elettroni nei metamateriali strutturati a lunghezze d'onda inferiori sono caricati, e interagiscono fortemente, " Gabor ha detto. "Il risultato è un'enorme varietà di fenomeni emergenti e classi radicalmente nuove di metamateriali quantistici interagenti".

Gabor e Song sono stati invitati da Nanotecnologia della natura per scrivere un articolo di revisione. Ma la coppia ha scelto di approfondire e illustrare la fisica fondamentale che potrebbe spiegare gran parte della ricerca sui metamateriali quantistici degli elettroni. Hanno invece scritto un documento prospettico che prevede lo stato attuale del campo e ne discute il futuro.

"Ricercatori, anche nei nostri laboratori, stavano esplorando una varietà di metamateriali ma nessuno aveva dato al campo nemmeno un nome, " disse Gabor, che dirige il laboratorio di optoelettronica dei materiali quantistici presso l'UCR. "Questo era il nostro intento nello scrivere la prospettiva. Siamo i primi a codificare la fisica sottostante. In un certo senso, stiamo esprimendo la tavola periodica di questo nuovo ed entusiasmante campo. È stato un compito erculeo codificare tutto il lavoro svolto fino ad ora e presentare un quadro unificante. Le idee e le sperimentazioni sono maturate, e la letteratura mostra che ci sono stati rapidi progressi nella creazione di materiali quantistici per gli elettroni. Era giunto il momento di tenere a freno tutto sotto un unico ombrello e offrire una tabella di marcia ai ricercatori per classificare il lavoro futuro".

Nella prospettiva, Gabor e Song raccolgono i primi esempi di metamateriali elettronici e distillano da essi strategie di progettazione emergenti per il controllo elettronico. Scrivono che uno degli aspetti più promettenti del nuovo campo si verifica quando gli elettroni in campioni di strutture a lunghezza d'onda interagiscono per mostrare un comportamento emergente inaspettato.

"Il comportamento della superconduttività nel grafene a doppio strato attorcigliato emerso è stato una sorpresa, " Disse Gabor. "Si vede, notevolmente, come le interazioni degli elettroni e le caratteristiche della lunghezza d'onda potrebbero essere fatte funzionare insieme nei metamateriali quantistici per produrre fenomeni radicalmente nuovi. Sono esempi come questo che dipingono un futuro entusiasmante per i metamateriali elettronici. Finora, abbiamo solo preparato il terreno per molti nuovi lavori in arrivo".