一个简单的转折解锁了前所未见的量子行为
扭曲的材料——被称为莫尔结构——彻底改变了现代物理学，通过简单的几何作创造全新的物质相，成为今天的“炼金术”。 “moiré”这个词可能听起来很熟悉——它描述了你在拍摄条纹衬衫或屏风时有时会看到的奇怪的涟漪图案; 在物理学中，相同的基本原理也适用于原子尺度。 想象一下，取两张相同或不同材料的原子薄片，将它们堆叠在一起，并相对于另一层略微旋转一层。 值得注意的是，这种简单的扭曲从根本上改变了所得材料，使其能够表现出与其各个层截然不同的奇特特性。 通过仔细控制扭曲角，物理学家可以设计出全新的量子态，打开以前对实验科学关闭的大门。 这些云纹结构预示着一个充满基础科学和技术应用的未来。从量子模拟器（帮助科学家研究复杂量子现象的专用系统）到超灵敏太赫兹传感器和单光子探测器。 当两层扭曲时，来自每一层的电子会强烈干涉，从而重塑它们的组合量子图景。 这种效应的一个突出例子是扭曲双层石墨烯，其中超导性——一种电子无电阻流动的状态——出乎意料地出现，即使石墨烯单独分层不能成为超导。 材料中的 电子有一个称为动量的量子数，它本质上描述了它们的量子力学运动状态。 到目前为止，人们的重点主要集中在围绕所谓的 K 点扭曲的六边形晶格上，K 点是 120 度旋转下对称的电子动量的特殊点。 只有少数材料，如石墨烯、MoTe2、MoSe2 和 WSe2 被实验探索过。 然而，在发表的新研究中inNature 是一个由国际研究人员组成的团队，引入了一种基于电子动量 M 点的全新扭曲范式，显著扩展了莫尔条纹景观。 “到目前为止，所有的扭曲都围绕着 K 点，将我们限制在物质宇宙的一个小角落，”牛津大学 Leverhulme-Peierls 研究员 Dumitru Călugăru（普林斯顿 2024 年博士）解释说。 “通过将我们的注意力转移到 M 点，我们解锁了一类全新的扭曲量子具有全新量子行为的材料。 电子频段最小值的位置是关键，“Călugăru 说。 该论文代表了跨多个大洲和机构的重要国际合作，包括普林斯顿大学（美国）、多诺斯蒂亚国际物理中心（西班牙）、牛津大学（英国）、马克斯普朗克学会（德国）、康奈尔大学（美国）、慕尼黑路德维希马克西米利安大学（德国）、舍布鲁克大学（加拿大）、 和大学佛罗里达州（美国）。 研究团队 - 包括理论物理学家、计算物理学家以及一个国际材料科学家和化学家小组，他们已经开始合成和剥离所提出的材料 - 首先确定了数百种适合这种新型扭曲的候选材料。 这些材料根据其电子频带最小值的位置进行了系统分类，这是控制所得量子的关键特征扭曲层的属性。 在这些材料中，选择了两种（SnSe2 和 ZrS2）——在 M 点具有最小波段——用于深入的电流研究。 “与莫尔条纹通常表现出拓扑特征的 K 点扭曲不同，我们发现 M 点扭曲带在拓扑上是微不足道的，但非常平坦，”普林斯顿大学的博士后研究员 Haoyu 胡 解释说。 “然而，M 点的条带具有以前未被注意到的对称类型，使它们非常不寻常，有时甚至是一维的。 这从根本上改变了它们的量子行为，“胡补充道。 通过广泛的显微初始计算 - 需要六个月以上的计算工作 - Yi 江和Hanqi Pi（多诺斯蒂亚国际物理中心）证明，电子带在大约三度的低扭曲角下变得明显平坦。 平坦化电子带可以有效地减慢电子的速度，增强它们的相互作用，以及产生新的量子现象。 “这种平坦化可以将电子定位在六边形晶格或笼目晶格排列中，”江指出。 Pi 进一步阐述道：“这种本地化意味着我们现在可以通过实验实现不同的量子态，可能包括量子自旋液体。 量子自旋液体是让物理学家着迷的难以捉摸的状态，有望带来令人兴奋的应用，包括实现高温超导的可能途径。 然而，他们从未在块状材料中进行过实验观察到，这主要是因为精确控制掺杂（添加或去除电子）和其他基本材料特性极其困难。 然而，扭曲材料由于其可调结构和静电门控的可能性而提供了更大的实验可控性——一种允许在不降低材料质量的情况下掺杂电子的技术，克服了许多这些历史障碍。 的该团队的理论预测和详细的电子模型代表了在真实材料中观察这些状态的重要一步。 已识别的物质的其他相，例如单向自旋液体和正交二聚体价键相，对于 M 点系统来说是全新的和独特的。 然而，这项研究超越了理论。 量子材料化学领域的合作者 Leslie Schoop （普林斯顿大学） 和 Claudia Felser （德累斯顿马克斯普朗克研究所） 已经成功合成了几种预测候选材料的块状晶体，为实际实现提供了关键的第一步。 世界领先的 2D 材料专家——包括 Dmitri Efetov（慕尼黑路德维希马克西米利安大学）、Jie Shan 和 Kin Fai Mak（均在康奈尔大学）——然后将这些块状晶体剥离成单层片材，显然是为了证明所提出的平台的实验可行性。 “这些的实验实现材料至关重要。 一旦被扭曲、门控和测量，这些新的量子态可能会成为有形的现实，“B 说。 Andrei Bernevig，普林斯顿大学物理学教授。 我们执行的每一次新变化似乎都会带来惊喜。 从根本上说，这些材料为通往没有人设想过的量子物质状态提供了门户。 因为它们在实验上是如此可控，所以可能性确实是无限的，“他强调说。