I materiali 2D hanno innescato un boom nella ricerca sui materiali. Ora si scopre che si verificano effetti eccitanti quando due di questi materiali a strati vengono impilati e leggermente attorcigliati.

La scoperta del materiale grafene, che consiste in un solo strato di atomi di carbonio, è stato il segnale di partenza per una corsa globale:oggi, vengono prodotti i cosiddetti materiali 2D, composto da diversi tipi di atomi. Strati atomicamente sottili che spesso hanno proprietà materiali molto speciali che non si trovano in convenzionali, materiali più spessi.

Ora si aggiunge un altro capitolo a questo campo di ricerca:se due di questi livelli 2D sono impilati ad angolo retto, sorgono ancora più nuove possibilità. Il modo in cui gli atomi dei due strati interagiscono crea intricati motivi geometrici, e questi modelli hanno un impatto decisivo sulle proprietà del materiale, come ha potuto dimostrare un gruppo di ricerca della TU Wien e dell'Università del Texas (Austin). I fononi, le vibrazioni reticolari degli atomi, sono significativamente influenzati dall'angolo con cui i due strati di materiale sono posti uno sopra l'altro. Così, con piccole rotazioni di tale strato, si possono modificare in modo significativo le proprietà del materiale.

L'effetto moiré

L'idea di base può essere sperimentata a casa con due teli di zanzariera o con qualsiasi altra rete regolare che può essere posizionata una sopra l'altra:se entrambe le griglie sono perfettamente congruenti l'una sull'altra, difficilmente si può dire dall'alto se si tratta di una o due griglie. La regolarità della struttura non è cambiata.

Ma se ora giri una delle griglie di un piccolo angolo, ci sono punti in cui i punti della griglia delle maglie corrispondono approssimativamente, e altri luoghi dove non lo fanno. Per di qua, emergono motivi interessanti:questo è il noto effetto moiré.

"Puoi fare esattamente la stessa cosa con i reticoli atomici di due strati di materiale, " afferma il dott. Lukas Linhart dell'Institute for Theoretical Physics presso TU Wien. La cosa notevole è che questo può cambiare drasticamente alcune proprietà dei materiali, ad esempio, il grafene diventa un superconduttore se due strati di questo materiale sono combinati nel modo giusto.

"Abbiamo studiato strati di bisolfuro di molibdeno, quale, insieme al grafene, è probabilmente uno dei materiali 2D più importanti, " afferma il prof Florian Libisch, che ha guidato il progetto alla TU Wien. "Se metti due strati di questo materiale uno sopra l'altro, le cosiddette forze di Van der Waals si verificano tra gli atomi di questi due strati. Queste sono forze relativamente deboli, ma sono abbastanza forti da cambiare completamente il comportamento dell'intero sistema."

In elaborate simulazioni al computer, il team di ricerca ha analizzato lo stato quantomeccanico della nuova struttura a doppio strato causato da queste deboli forze aggiuntive, e come questo influenza le vibrazioni degli atomi nei due strati.

L'angolo di rotazione è importante

"Se giri un po' i due strati l'uno contro l'altro, le forze di Van der Waals fanno sì che gli atomi di entrambi gli strati cambino leggermente la loro posizione, "dice il dottor Jiamin Quan, dall'UT Texas ad Austin. Ha condotto gli esperimenti in Texas, che ha confermato i risultati dei calcoli:L'angolo di rotazione può essere utilizzato per regolare quali vibrazioni atomiche sono fisicamente possibili nel materiale.

"In termini di scienza dei materiali, è importante avere il controllo sulle vibrazioni dei fononi in questo modo, " dice Lukas Linhart "Il fatto che le proprietà elettroniche di un materiale 2D possono essere modificate unendo due strati insieme era già noto prima. Ma il fatto che anche le oscillazioni meccaniche del materiale possano essere controllate in questo modo ora ci apre nuove possibilità. I fononi e le proprietà elettromagnetiche sono strettamente correlati. Attraverso le vibrazioni nel materiale, si può quindi intervenire in importanti effetti a molti corpi in modo controllato." Dopo questa prima descrizione dell'effetto per i fononi, i ricercatori stanno ora cercando di descrivere fononi ed elettroni combinati, sperando di saperne di più su fenomeni importanti come la superconduttività.

L'effetto Moiré materiale-fisico rende quindi ancora più ricco il già ricco campo di ricerca dei materiali 2D e aumenta le possibilità di continuare a trovare nuovi materiali stratificati con proprietà precedentemente irraggiungibili e consente l'uso di materiali 2D come piattaforma sperimentale per proprietà piuttosto fondamentali di solidi.