Современные материалы на основе графена продолжают привлекать внимание учёных всего мира благодаря своим уникальным физическим свойствам. Особенно востребованной становится область, связанная с изучением так называемых «магических углов» скручивания слоёв графена, при которых электронные свойства материала существенно меняются. Одним из таких перспективных направлений является исследование взаимодействия лёгких и тяжёлых электронов в скрученном трёхслойном графене. Эти взаимодействия открывают путь к новым фазам материи, включая высокотемпературную сверхпроводимость и другие коррелированные состояния, которые не наблюдаются в обычных однослойных или двухслойных системах. Скрученный трёхслойный графен представляет собой структуру из трёх листов графена, где центральный слой слегка повернут относительно внешних, создавая сложную мозаичную (мори́) структуру.
Именно эта мозаика изменяет энергоуровни электронов, создавая плоские (плоскополосные) энергетические зоны, где скорость электронов резко замедляется. Такие зоны становятся доменом «тяжёлых» электронов с большой эффективной массой, в то время как другие, более дисперсные зоны продолжают поддерживать «лёгкие» электроны с малыми массами и высокой подвижностью. Именно взаимодействие между этими двумя разновидностями электронов формирует богатую палитру физических явлений. В отличие от классических двумерных электронных систем, где преобладают электронные состояния с одной характерной эффективной массой, скрученный трёхслойный графен обеспечивает уникальную платформу, где тяжёлые и лёгкие электроны сосуществуют и взаимодействуют в одной материальной системе. Такая «сочетанная» природа способствует возникновению новых форм коллективного поведения, в том числе непривычных форм сверхпроводимости и фотонного поведения.
Основой многих открытий стала возможность тонкой настройки взаимодействий внутри материала. Современные экспериментальные методы, такие как локальные измерения с помощью сканирующего одноэлектронного транзистора (SET-микроскопа), позволяют с высокой точностью исследовать электронную сжимаемость и плотность состояний в зависимости от внешних параметров, таких как магнитное поле, зарядовое заполнение «мории» и температура. Измерения показали, что даже при возникновении энергетических щелей (запрещённых зон) для тяжёлых электронов, в материале сохраняется небольшое, но устойчивое количество лёгких электронов, которые продолжают вносить вклад в проводимость и другие свойства. Это подтверждает, что системы с множественными энергетическими зонами ведут себя намного сложнее, чем однозонные аналоги. Кроме того, были обнаружены переходы фаз, сопровождающиеся изменением порядка электронных состояний при изменении магнитного поля.
Особенностью таких переходов является их пространственная неоднородность, что свидетельствует о сложном микроскопическом взаимодействии между различными типами носителей заряда и степенями свободы, такими как спин и «долина» (valley) – дополнительный квантовый индекс электронов в графене. Теоретические модели и численные симуляции помогают понять фундаментальные механизмы, лежащие в основе этих явлений. В частности, исследования показали, что зоны с лёгкими электронами в некоторых отношениях можно рассматривать как дополнительное «вкусное» («flavour») пространство, аналогичное спиновым и долинным степеням свободы, что обогащает понятие изоспина и взаимодействий в наноразмерах. Практический интерес к данным исследованиям является весьма высоким, поскольку понимание и управление взаимодействиями лёгких и тяжёлых электронов может привести к разработке новых типов квантовых устройств, включая квантовые компьютеры и высокочувствительные датчики. Возможность управлять фазами сверхпроводимости и коррелированного изоляторного поведения через электрические поля, магнитные поля и углы скручивания позволяет создавать материалы «под заказ» с заданными физическими характеристиками.
