一个简单的扭转解锁了前所未见的量子行为

当两层材料发生扭曲时，来自各层的电子会强烈干涉，重塑它们共同的量子景观。这一效应的一个显著例证是扭曲双层石墨烯，其中超导性——一种电子无阻力流动的状态——意外出现，尽管单层石墨烯本身无法实现超导。

材料中的电子具有一个称为动量的量子数，它本质上描述了电子的量子力学运动状态。迄今为止，研究焦点主要集中在围绕所谓K点（在120度旋转下具有动量对称性的特殊点）扭曲的六方晶格上。仅有石墨烯、MoTe₂、MoSe₂和WSe₂等少数材料被实验探索过。然而，在发表于《自然》期刊的最新研究中，一个国际研究团队引入了基于电子动量M点的全新扭曲范式，显著拓展了莫尔景观。

牛津大学利弗休姆-派尔斯研究员杜米特鲁·克勒古鲁（普林斯顿大学2024届博士）解释道："迄今为止，所有扭曲都围绕K点进行，将我们限制在材料宇宙的小角落。通过将焦点转向M点，我们解锁了一类具有全新量子行为的扭曲量子材料。电子能带最小值的位置是关键。"

该论文代表了跨越多个大洲和机构的重大国际合作，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）和佛罗里达大学（美国）。

研究团队包括理论物理学家、计算物理学家，以及一个已开始合成和剥离所提出材料的国际材料科学家与化学家小组。他们首先筛选出数百种适用于这种新型扭曲的候选材料，并基于电子能带最小值的位置（控制扭曲层最终量子特性的关键特征）对其进行系统分类。从中选出两种能带最小值位于M点的材料（SnSe₂和ZrS₂）用于当前的深度研究。

普林斯顿大学博士后研究员胡皓宇阐明："与K点扭曲中莫尔能带通常展现拓扑特性不同，我们发现M点扭曲能带虽拓扑平庸但显著平坦。然而，M点的能带具有一种先前未被注意到的对称性，使其高度异常甚至有时呈现一维特性。这从根本上改变了它们的量子行为。"

通过耗时超六个月的广泛微观从头计算，江毅和皮瀚祺（多诺斯蒂亚国际物理中心）证明在约三度的低扭曲角下，电子能带显著平坦化。能带平坦化有效减缓电子速度，增强其相互间作用，从而引发新颖量子现象。

江毅指出："这种平坦化可将电子局域在六方晶格或笼目晶格构型中。" 皮瀚祺进一步阐述："这种局域化意味着我们现在能在实验中实现多样的量子态，可能包括量子自旋液体。"

量子自旋液体——这种令物理学家着迷的难以捉摸态——蕴藏着激动人心的应用前景，包括通往高温超导的可能路径。然而，由于精确控制掺杂（添加或移除电子）及其他关键材料特性存在极大困难，它们从未在块体材料中被确凿实验观测到。然而，扭曲材料凭借其可调结构及静电门控技术（一种可在不损伤材料前提下实现电子掺杂的方法）提供了更强的实验可控性，克服了许多历史性障碍。

该团队的理论预测和详细电子模型标志着在真实材料中观测这些态的重大进展。所识别的其他物相——如单向自旋液体和正交二聚价键相——完全属于M点体系独有的全新发现。

但这项研究超越了理论范畴。量子材料化学领域的合作者——莱斯利·肖普（普林斯顿大学）和克劳迪娅·费尔瑟（马克斯·普朗克研究所，德累斯顿）——已成功合成了几种预测候选材料的块体晶体，为实现实际应用迈出关键第一步。随后，二维材料领域的国际权威专家——包括德米特里·埃费托夫（慕尼黑路德维希·马克西米利安大学）、单洁和麦肯枫（均任职于康奈尔大学）——将这些块体晶体剥离成单层薄片，以清晰论证所提出平台的实验可行性。

普林斯顿大学物理学教授B·安德烈·伯尔尼维格强调："这些材料的实验实现至关重要。一旦完成扭曲、门控和测量，这些新量子态可能成为切实的现实。我们进行的每一次新扭曲似乎都会带来惊喜。从根本上说，这些材料为人们未曾预见的量子物态提供了入口。由于它们具有高度的实验可控性，其可能性确实是无限的。"