简单扭转即可解锁前所未见的量子行为

当两层材料发生扭转时，来自各层的电子会产生强烈干涉，从而重塑其复合量子态。扭转双层石墨烯就是这一效应的典型例证——尽管单层石墨烯无法实现超导，但在特定扭转角度下会意外出现零电阻电子流动的超导态。

材料中的电子具有称为动量的量子数，本质上是描述其量子力学运动状态的参数。迄今为止，研究焦点主要集中在以K点为中心的六方晶格扭转——这些电子动量特殊点在120度旋转下保持对称。目前仅对石墨烯、二碲化钼、二硒化钼和二硒化钨等少数材料进行了实验探索。然而发表于《自然》期刊的最新研究中，国际团队基于电子动量的M点提出全新扭转范式，极大拓展了莫尔超晶格的研究疆域。

"过去所有扭转都围绕K点进行，将我们局限在材料宇宙的小角落，"牛津大学Leverhulme-Peierls研究员杜米特鲁·克勒古鲁（普林斯顿大学2024届博士）解释道，"将焦点转向M点后，我们解锁了具有全新量子行为的扭曲量子材料体系。电子能带最小值的位置至关重要。"

这项研究汇集了横跨多洲的顶尖机构，包括美国普林斯顿大学、西班牙多诺斯蒂亚国际物理中心、英国牛津大学、德国马克斯·普朗克学会、美国康奈尔大学、德国慕尼黑大学、加拿大舍布鲁克大学和美国佛罗里达大学。

研究团队包含理论物理学家、计算物理学家，以及已开始合成剥离目标材料的国际材料科学家和化学家团队。他们首先筛选出数百种适合新型扭转的候选材料，根据控制扭转层量子特性的关键特征——电子能带最小值位置进行系统分类，最终选定能带最小值位于M点的二硒化锡(SnSe₂)和二硫化锆(ZrS₂)进行深度研究。

"与通常呈现拓扑特性的K点扭转不同，我们发现M点扭转能带虽拓扑平庸却具有显著平坦化特征，"普林斯顿博士后研究员胡浩宇解释道，"但这些能带具有未被注意的新型对称性，使其表现出高度异常甚至准一维特性，这从根本上改变了量子行为。"

通过耗时超六个月的微观第一性原理计算，多诺斯蒂亚国际物理中心的蒋毅和皮汉琪证实：在约3度的低扭转角度下，电子能带会出现显著平坦化。能带平坦化有效减缓电子运动速度，增强电子间相互作用，从而催生新颖量子现象。

"这种平坦化可使电子局域在六方晶格或笼目晶格结构中，"蒋毅指出。皮汉琪补充道："此类局域意味着我们现在能实验实现多种量子态，可能包括量子自旋液体。"

令物理学家着迷的量子自旋液体态有望实现高温超导等突破性应用，但块体材料中始终未能确证其存在，主要源于精确调控掺杂（增减电子）等关键参数的极端困难。而扭转材料凭借其可调结构和静电门控技术——一种不会破坏材料的电子掺杂方法，突破了这些历史性障碍。

该团队的理论预测和精细电子模型为在真实材料中观测这些态奠定了重要基础。研究还发现了单向自旋液体态和正交二聚体价键相等全新物相，这些均为M点体系独有的特性。

此项研究不止于理论突破。普林斯顿大学的莱斯利·舒普和马克斯·普朗克研究所的克劳迪娅·费尔瑟已成功合成多种预测材料的块体晶体，迈出实际应用的第一步。慕尼黑大学的德米特里·埃菲莫夫、康奈尔大学的单杰和麦肯法·马克等二维材料权威专家，正将这些块体晶体剥离成单层薄片，以验证该平台的实验可行性。

"材料实验制备至关重要。经过扭转、门控和测量后，这些新量子态或将成为现实，"普林斯顿大学物理系教授B·安德烈·伯纳维格强调，"每种新型扭转都带来惊喜。本质上这些材料打开了通往前所未闻量子态的大门，其高度可控性意味着可能性是无限的。"