简单扭转解锁前所未见的量子行为

当两个层相互扭转时，来自每一层的电子发生强烈干涉，重塑了它们共同的量子景观。这种效应一个显著的例子是魔角双层石墨烯，其中出乎意料地出现了超导性——即电子无阻力流动的状态——尽管单层石墨烯本身无法实现超导。

材料中的电子拥有一个称为动量的量子数，本质上描述了它们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点扭转的六边形晶格上——K点是电子动量在120度旋转下对称的特殊点。仅有少数材料如石墨烯、MoTe2、MoSe2和WSe2已被实验探索。然而，在发表于《自然》期刊的新研究中，一个国际研究团队引入了一种基于电子动量M点的全新扭转范式，显著扩展了莫尔图案景观。

“到目前为止，所有的扭转都围绕着K点进行，将我们限制在材料宇宙的一个小角落，”牛津大学莱弗休姆-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。“通过将焦点转移到M点，我们开启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，”克勒古鲁说。

该论文代表了横跨多个大陆和机构的重大国际合作，参与者包括普林斯顿大学（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）。

该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转的候选材料。这些材料根据其电子能带最小值的位置进行了系统分类，该位置是控制扭转层最终量子特性的关键特征。从这些材料中，两种（SnSe₂ 和 ZrS₂）——其能带最小值位于M点——被选中进行深入的当前研究。

“与K点扭转通常表现出拓扑特性的莫尔能带不同，我们发现M点扭转的能带虽在拓扑上是平庸的，但却显著平坦，”普林斯顿大学博士后研究员胡浩宇解释道。“然而，M点处的能带具有一种此前未被注意到的对称性，这使得它们高度特殊，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。

通过广泛的第一性原理微观计算——需要超过六个月的算力——蒋毅和皮瀚祺（多诺斯蒂亚国际物理中心）证明，在约三度的低扭转角度下，电子能带变得显著平坦化。平坦化的电子能带有效地减慢了电子速度，增强了它们的相互间作用，从而催生出新颖的量子现象。

“这种平坦化可以将电子局域在六角晶格或笼目晶格排列中，”蒋毅指出。皮瀚祺进一步阐述：“这种局域化意味着我们现在可以在实验上实现多样的量子态，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的状态，预示着令人兴奋的应用前景，包括通往高温超导的可能途径。然而，它们在体材料中从未被实验明确观察到，这在很大程度上是因为精确控制掺杂（添加或移除电子）以及其他关键材料特性存在极大困难。然而，扭曲材料由于其结构可调以及静电门控的可能性——一种无需使材料退化即可实现电子掺杂的技术——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的电子模型代表了在真实材料中观测这些状态的重大进展。所鉴别出的其他物相，如单向自旋液体和正交二聚体价键相，完全新颖且为M点系统所独有。

然而，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·朔普（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）——已经成功合成了几种预测候选材料的块状晶体，为实现实际应用迈出了关键的第一步。随后，二维材料领域的世界顶尖专家——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）、单洁和麦金辉（两人均在康奈尔大学）——将这些块状晶体剥离成单层片材，清晰地证明了所提出平台的实验可行性。

“这些材料的实验实现至关重要。一旦完成扭转、门控和测量，这些新的量子态可能成为切实的现实，”普林斯顿大学物理学教授 B·安德烈·贝尔内维格表示。“我们进行的每一次新的扭转似乎都会带来惊喜。从根本上说，这些材料为我们提供了通向前所未见的量子物质状态的途径。因为它们具有极高的实验可控性，可能性确实是无限的，”他强调道。