Kavliprisen: Når en liten vridning skaper helt ny fysikk

Kavliprisen i nanovitenskap går i år til tre fysikere som får materialer til å oppføre seg på helt nye måter uten å endre atomene materialet består av.

Løsningen er pussig nok å vri materialet.

Kavliprisen i nanovitenskap 2026 går til Eva Y. Andrei, Allan H. MacDonald og Pablo Jarillo-Herrero. Sammen har disse tre lagt grunnlaget for forskningsfeltet «twistronics». Dette har på få år har blitt et av de mest spennende områdene innen moderne materialfysikk.

• Les også: Store oppdagelser om universet, materialer og hjernen

To lag med karbon

Historien starter med grafén. Dette materialet består av ett enkelt lag karbonatomer ordnet i et bikakemønster. Grafén er bare ett atom tykt, men er samtidig svært sterkt og har uvanlige elektriske egenskaper.

Forskerne begynte å undersøke hva som skjer når vi legger to slike grafénlag oppå hverandre. I utgangspunktet skulle du tro at resultatet bare ville bli et dobbelt lag grafén. Men det viste seg at noe langt mer interessant skjer dersom det ene laget roteres litt i forhold til det andre.

Når to nesten like mønstre legges oppå hverandre med en liten forskyvning eller vridning, oppstår et større mønster som kalles et moaré-mønster. Mange har sett slike mønstre i hverdagen, for eksempel når vi ser gjennom to lag netting eller skjermer som ligger oppå hverandre.

I grafén viste det seg at dette moaré-mønsteret ikke bare er et visuelt fenomen. Det påvirker også hvordan elektronene beveger seg gjennom materialet.

Oppdaget effekten av vridningen

I 2009 viste Eva Y. Andrei fra Rutgers University og hennes forskningsgruppe at selv små endringer i vridningsvinkelen mellom to grafénlag kunne gi store endringer i de elektroniske egenskapene.

Dette var et viktig gjennombrudd. Forskerne så at elektronenes energinivåer ble kraftig påvirket av vinkelen mellom lagene. De identifiserte også en spesiell vinkel der effekten ble særlig sterk. Denne vinkelen fikk senere navnet «den magiske vinkelen».

Arbeidet viste at vi kan skape nye elektroniske egenskaper gjennom geometrisk kontroll alene. Det er ikke nødvendig å lage et nytt materiale eller tilsette andre grunnstoffer. Det holder å vri på lagene.

Mange ser på dette som starten på twistronics-feltet.

Den teoretiske forklaringen

En oppdagelse blir langt mer verdifull når forskerne også forstår hvorfor den skjer.

I 2011 utviklet Allan H. MacDonald fra The University of Texas at Austin og hans medarbeidere en teoretisk modell som forklarte hvordan vridningen mellom lagene endrer materialets elektroniske struktur.

Modellen viste at bestemte vridningsvinkler kan skape såkalte flate bånd. I slike bånd beveger elektronene seg mye langsommere enn vanlig. Når elektronene bremses opp på denne måten, begynner de å påvirke hverandre sterkere.

Det er nettopp slike sterke vekselvirkninger som kan gi opphav til nye og uventede tilstander i materialet.

MacDonalds teori forklarte de eksperimentelle observasjonene og ga forskerne et veikart for videre forskning. Den ble raskt et grunnlag for studier av en hel familie av vridde og lagdelte materialer.

Den store bekreftelsen

Selv om teorien var lovende, gjensto det å vise at de spesielle egenskapene faktisk kunne gi opphav til ny fysikk.

Dette krevde ekstremt presise eksperimenter. Forskerne måtte kontrollere vridningsvinkelen med en nøyaktighet på brøkdeler av en grad.

I 2018 kom gjennombruddet. Pablo Jarillo-Herrero og hans gruppe ved Massachusetts Institute of Technology klarte å lage prøver med den magiske vinkelen og undersøke dem i detalj.

Resultatene vakte stor oppsikt. Forskerne fant at materialet kunne gå inn i en isolerende tilstand der elektronene nærmest låses fast. Enda mer overraskende var det at materialet under andre forhold ble superledende.

Superledning betyr at elektrisk strøm kan flyte uten motstand. Vanligvis forbindes slike egenskaper med kompliserte materialer. Her oppsto fenomenet i et system som i praksis besto av to tynne lag grafén vridd i forhold til hverandre.

Oppdagelsen viste at vridningen ikke bare påvirket elektronene litt. Den kunne skape helt nye kvantetilstander i materialet.

• Les også: Hjernen trenger lokale verksteder

En ny måte å designe materialer på

Betydningen av twistronics strekker seg langt utover grafen alene.

Tradisjonelt har forskere utviklet nye materialer ved å endre den kjemiske sammensetningen. Twistronics introduserte en ny idé: Vi kan også bruke geometrien som et verktøy.

Ved å kontrollere hvordan atomtynne lag plasseres i forhold til hverandre, kan forskerne skreddersy materialenes elektroniske egenskaper. Dette åpner muligheten for å lage materialer med egenskaper som ikke finnes naturlig.

I løpet av få år har feltet vokst eksplosivt. Forskere undersøker nå mange ulike kombinasjoner av todimensjonale materialer, på jakt etter nye former for magnetisme, superledning og andre kvantefenomener.

Til sammen har arbeidet deres altså vist at noe så enkelt som en liten vridning mellom to atomtynne lag kan åpne døren til helt ny fysikk.