Графен, состоящий из одного слоя углеродных атомов, продолжает удивлять исследователей своими уникальными физическими свойствами. Однако настоящая революция наступила с открытием так называемых «магических углов» скрученных многослойных графеновых структур, в частности, скрученного двухслойного графена, или twisted bilayer graphene (TBG). В последние годы на первый план выходит новая модификация — скрученная трехслойная графена, которая предлагает гораздо более широкий спектр экспериментальных и теоретических возможностей. Особенно интересен механизм взаимодействия легких и тяжелых электронов в этой системе, что открывает путь к пониманию сложных коррелированных состояний и сверхпроводимости в этих материалах. Система скрученной трехслойной графены (magic-angle twisted trilayer graphene, MATTG) представляет собой три графеновых слоя, скрученных друг относительно друга под определенным углом — так называемым магическим углом около 1,5 градуса.
Именно при таком угле возникают плоские электронные зоны (flat bands), которые характеризуются высокой эффективной массой электронов. В этих плоских зонах электроны практически не обладают подвижностью, что способствует усилению взаимодействий между ними и формированию различных коррелированных состояний. В то же время в такой системе существуют и дисперсные, или легкие, электронные зоны, где электроны сохраняют высокую подвижность и малую эффективную массу, представляя собой своеобразный контраст по сравнению с «тяжелыми» электронами из плоских зон. Взаимодействие между этими двумя «типами» электронов — легкими и тяжелыми — формирует основу для возникновения уникальных физико-химических явлений, которые нельзя наблюдать в системах с единой энергетической зоной. Отдельное внимание уделяется тому, что сверхпроводящий этап в MATTG занимает гораздо более обширное пространство фаз, чем в аналогичных системах без легких электронных зон.
Это указывает на ключевую роль межзонных взаимодействий в стабилизации и управлении сложными состояниями, такими как сверхпроводимость, ферромагнетизм и различные топологические фазы. Для детального изучения взаимодействия легких и тяжелых электронов ученые используют методы локальных измерений компрессибельности с помощью сканирующего одноэлектронного транзистора (scanning single-electron-transistor microscope). Эти измерения позволяют получать картину плотности состояний на микроуровне с очень высокой пространственной разрешающей способностью, что особенно важно для систем с неоднородной электронной структурой. Результаты показывают, что при заполнении определенных заполненных или полузаполненных мохрё зон (integer moiré band fillings) можно увидеть слабые признаки непроницаемости, которые сопровождаются наличием легких электронов с линейной дисперсией вблизи уровня Ферми, несмотря на открытие энергетической щели в плоской зоне. Это подтверждает существование одновременного сосуществования сильно коррелированных и свободно движущихся электронов в единой системе, что является уникальным качеством MATTG.
Наблюдение фазовых переходов при воздействии магнитных полей, особенно около нейтральной точки заряда, дополняет этот сложный рисунок взаимодействий. Последовательность изменяющихся фаз под воздействием внешних факторов демонстрирует, что легкая зона с характером Дирака (Dirac sector) ведет себя как отдельное, фактически независимое, ароматическое пространство — подобно тому, как спин или валентность ведут себя как дополнительные степени свободы. Такое аналогичное описание позволяет разработать более полные теоретические модели, учитывающие все аспекты взаимодействия и влияния на макроскопические свойства материала. Теоретические исследования показывают, что в основе этих эффектов лежит сложная квантовая химия взаимодействий электронов с различной эффективной массой, а также влияние межэлектронных корреляций, которые усиливаются при плоских энергетических зонах. Теории, основанные на моделях с тяжелыми фермионами, дают представление о том, как легкие электроны могут гибко взаимодействовать с «локализованными» тяжелыми электронными состояниями, вызывая множество разнообразных эффектов: от подъема критической температуры сверхпроводимости до формирования экзотических ферромагнитных состояний и топологических фаз.
Практическая значимость изучения MATTG и подобных систем не ограничивается фундаментальной физикой. Возможность настраивать электронические свойства путем изменения угла скручивания и использования внешних параметров, таких как электрическое поле или магнитное поле, открывает путь к созданию новых электронных устройств с уникальными функциональными характеристиками. Например, перспективными являются разработки сверхпроводящих транзисторов, квантовых битов и сенсоров с высокой чувствительностью. Другой важный аспект — это местная неоднородность и ее влияние на проявления коррелированных состояний. Экспериментальные данные указывают, что несмотря на общую однородность устройства, на микромасштабе возможно существование пространственных вариаций, которые могут локально усиливать или ослаблять взаимодействия.
Понимание и контроль таких неоднородностей является важным для стабилизации фаз и повышения стабильности устройств на их основе. В перспективе исследования скрученной трехслойной графены и аналогичных материалов будут направлены на все более точное изучение динамики электронов в условиях сильных корелляций, а также на раскрытие взаимосвязи между различными многоэлектронными эффектами, включая варианты сверхпроводимости, ферромагнетизма и топологических состояний. Продолжается развитие новых экспериментальных методик, позволяющих наблюдать тонкие детали электронной структуры и фазовых переходов, а также создание все более совершенных теоретических моделей, интегрирующих все степени свободы системы. Таким образом, скрученная трехслойная графена — это уникальная и перспективная модельная система в области конденсированной материи, способная открыть новые горизонты в понимании взаимодействия электронов с разной эффективной массой и роли межзонных эффектов. Ее изучение способствует развитию фундаментальной науки и одновременно прокладывает путь к инновационным технологиям, основанным на управлении квантовыми свойствами материалов.
Многообещающие результаты и глубокое понимание физики таких систем стимулируют дальнейшие исследования и расширяют возможности инженерии на атомарном уровне.
