Як «магічний кут» 1,1 градуса перевернув фізику матеріалів і приніс 400 000 євро від BBVA Foundation?

Зміст статті

Почалося все з майже непомітного руху – два прозорі шари графену нахилилися один до одного, ніби сторінки книжки, що ледь торкаються. У лабораторії MIT на кінчиках інструментів народжувався кут, який складно зафіксувати оком, але можна виміряти в науці. У цьому крихітному повороті – близько одного градуса – матеріал раптом почав поводитися інакше, ніж очікували підручники. Саме ця зміна відкрила двері до нової фізики, а разом із нею – до міжнародного визнання.

Коли атоми змикаються під кутом

Професор Пабло Харільо-Ерреро, який обіймає кафедру Cecil and Ida Green у Массачусетському технологічному інституті, отримав BBVA Foundation Frontiers of Knowledge Award 2025 у галузі базових наук за роботу з так званим «магічним кутом» у двовимірних матеріалах. Премія у розмірі 400 000 євро ділиться між ним та його співлауреатом, теоретиком Аланом Макдональдом із Техаського університету в Остіні. За оцінкою фонду, саме їхні зусилля сформували теоретичний каркас і забезпечили експериментальне підтвердження поля, де суперпровідність, магнетизм та інші властивості можна отримувати, обертаючи нові двовимірні матеріали – насамперед графен. Графен – це один атомарний шар вуглецю, впорядкований у шестикутну «соту», ідеальну для експериментів з кутовим поворотом шарів.

Суть відкриття проста у формулюванні, але складна у виконанні: якщо розташувати два шари графену під дуже точним кутом, вони починають взаємодіяти так, що в матеріалі виникають нові колективні явища. Фундаментально важливий результат – можливість керовано змінювати поведінку матерії, досягаючи станів, на які вказувала теорія, але які довго залишалися недосяжними у практиці. Саме цей перехід від ідеї до верифікації забезпечив міжнародне визнання лауреатів.

Формула на папері, ефект у лабораторії

У 2011 році Алан Макдональд у теоретичній моделі передбачив: якщо скрутити два шари графену приблизно на один градус, електронні стани змусять матеріал набути нових властивостей. Минуло кілька років, перш ніж лабораторії змогли зафіксувати ці тонкі ефекти. У 2018 році Пабло Харільо-Ерреро експериментально продемонстрував існування критичного повороту – близько 1,1 градуса – за якого поведінка графену різко змінюється і можуть виникати такі явища, як суперпровідність. Шлях до результату був непрямим: дослідник роками накладав шари, не маючи можливості впевнено зафіксувати потрібний кут, і лише після методичного вдосконалення вдалося «підвести» структуру до потрібного значення. На цій межі матеріал ніби «перемикався» на інший режим – і це стало ключем до нового класу керованих станів.

Техніка здавалася концептуально прозорою – обернути слой на невеликий кут, – але на практиці вимагала вкрай ювелірної точності. Саме ця комбінація простоти і складності зробила відкриття показовим: воно стало містком між сміливою теорією і наполегливою експериментальною рутинною роботою, без якої нове поле залишалося б гіпотезою.

Людський вимір відкриття

У центрі історії – не лише формули і прилади, а й наукова спільнота, яка роками чекала перевірки розрахунків у реальному експерименті. Передбачення Макдональда набуло ваги лише тоді, коли його можна було повторити в лабораторіях і побачити на графіках даних. Для молодих фізиків поява «магічного кута» стала сигналом, що навіть мікроскопічна геометрія може привести до макроскопічних ефектів. Для інженерів – що складні властивості можна «вмикати» і «вимикати» простим обертанням шарів. А для інституцій, зокрема фондів, – що інвестиції у фундаментальні дослідження здатні відкрити шлях до технологічних рішень з реальним суспільним ефектом.

«Піонерська робота двох фізиків створила і теоретичний фундамент, і експериментальне підтвердження поля, де суперпровідність, магнетизм та інші властивості можна отримати, обертаючи двовимірні матеріали», – зазначив комітет премії. А співлауреат назвав лабораторну реалізацію первісної ідеї «майже як наукова фантастика».

Ці слова віддзеркалюють подвійність наукового процесу: інтелектуальна інтуїція і роки наполегливої технічної роботи мають зійтися в одній точці. Саме так сталося у випадку з графеном, де передбачення і підтвердження зімкнулися під потрібним кутом, утворивши нове дослідницьке поле.

Читайте також наші статті:

• Чому навіть потужні ліки не добивають рак? Протеостаз і HSF1 тримають на плаву мутації TP53
• Річард О. Гайнс (81): спадок піонера МІТ, що пояснив, як клітини тримаються разом

Графен як сцена для нової фізики

Графен став зручною «сценою», де двовимірність і чистота кристалічної решітки дозволяють точно відстежувати тонкі електронні ефекти. На цій сцені поворот на малі кути – близько одного градуса – змінює характер взаємодій між електронами, створюючи умови для виникнення колективних станів. Дослідники показали, що контрольована геометрія – це не другорядна деталь, а інструмент керування властивостями, який відкриває шлях до цілеспрямованого проєктування матеріалів. Саме так, за оцінками нагородного комітету, можна підійти до завдань, що мають потенційно великий промисловий ефект, зокрема до енергоефективної передачі електроенергії із мінімальними втратами. Такий підхід формує новий словник у матеріалознавстві, де кут повороту стає параметром такої ж ваги, як склад і домішки.

Що таке «магічний кут» у цифрах

Ключова величина – це орієнтація шарів приблизно на один градус, з критичним значенням близько 1,1 градуса, де реалізуються найяскравіші ефекти. Нагорода, яку поділили лауреати, становить 400 000 євро; її присуджує BBVA Foundation у межах премії Frontiers of Knowledge, що охоплює восьми категорій. Від 2009 року ці відзнаки отримали понад дюжину представників MIT, і нинішня нагорода додає ще одну позначку на карті фундаментальних досягнень інституту. Сам Пабло Харільо-Ерреро також афілійований з Materials Research Laboratory, що підкреслює міждисциплінарний характер роботи – від теорії до втілення у експериментах.

Від лабораторного столу до індустрії

Організатори нагороди наголошують: демонстрація керованих станів шляхом повороту шарів двовимірних матеріалів відкриває «нові фронтири» для прикладних розробок. Головний приклад – суперпровідність, яка в разі технологічної реалізації могла б зробити передачу електроенергії суттєво ефективнішою, майже без втрат. Водночас повідомлення чітко розділяє нинішній стан знань і майбутні кроки: від фундаментального підтвердження ефектів – до можливого індустріального застосування. Цей шлях вимагає часу, повторюваності результатів і стандартизації методів виготовлення матеріалів із точним контролем кута. Проте сам факт, що геометрія стала інструментом програмування властивостей, уже зміщує фокус матеріалознавства в бік більш керованих архітектур.

Куди веде цей кут: сценарії майбутнього

Обговорення наслідків «магічного кута» виходить за межі однієї лабораторії чи інституції – і саме на це вказує формулювання премії як «фронтирів знання». Оскільки нагорода визнає і теорію, і експеримент, вона фіксує момент, коли гіпотеза стала інструментом нового поля. Далі – робота багатьох груп, стандартні протоколи, масштабування та захист від артефактів. Але напрям задано: кут як параметр керування властивостями матеріалів. Фонд BBVA, що підтримує науку та культуру, у своєму мандаті прямо говорить про знання як суспільне благо – і ця історія вписується у такий підхід максимально органічно.

• Керовані квантові стани через точний кутовий поворот двовимірних матеріалів
• Можливі шляхи до енергоефективної передачі електроенергії завдяки суперпровідності
• Консолідація нової дослідницької галузі на перетині теорії і високоточної експериментальної техніки

Кут, що стає дверима

У підсумку історія «магічного кута» – це історія про точність і наполегливість, які перетворюють теоретичну можливість на реальність експерименту. Лауреати – Пабло Харільо-Ерреро і Алан Макдональд – показали, як геометрія керує фізикою там, де здавалося, що все давно відомо. Відзначення премією BBVA Foundation підкреслює не лише науковий масштаб роботи, а й її потенціал для майбутніх технологій. Залишається запитання: які ще властивості можна «увімкнути» поворотом на кілька десятих градуса – і які індустрії це змінить завтра? Відповіді, схоже, вже формуються на кінчиках інструментів у тих самих лабораторіях, де колись уперше зафіксували 1,1 градуса.