一次简单扭转解锁了前所未见的量子行为

当两层材料被扭转时，来自每层的电子发生强烈干涉，重塑了它们组合的量子景观。这一效应的一个突出实例是扭转双层石墨烯，其中超导性——一种电子无电阻流动的状态——意外出现，尽管单层石墨烯本身无法实现超导。

材料中的电子拥有一个称为动量的量子数，它本质上是描述其量子力学运动状态。迄今为止，研究焦点主要集中在围绕所谓K点扭转的六方晶格上——这些是在120度旋转下具有对称性的特殊电子动量点。只有石墨烯、MoTe₂、MoSe₂ 和 WSe₂ 等少数材料得到了实验探索。然而，在发表于《自然》杂志的新研究中，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，显著扩展了莫尔景观。

"到目前为止，所有扭转都围绕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，我们解锁了一类全新的扭转量子材料，它们展现出全新的量子行为。电子能带最小值的位置是关键，"克勒古鲁说。

该论文代表了一项跨越多个大洲和机构的重大国际合作，参与机构包括普林斯顿大学（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——首先筛选出数百种适合这种新型扭转的候选材料。根据其电子能带最小值的位置（这是控制扭转层最终量子特性的关键特征），对这些材料进行了系统分类。从这些材料中，选择出两种（SnSe₂ 和 ZrS₂）——其能带最小值位于M点——用于当前的深入研究。

"与K点扭转通常导致莫尔能带呈现拓扑特征不同，我们发现M点扭转的能带是拓扑平庸的，但却异常平坦，"普林斯顿大学博士后研究员胡浩宇解释道。"然而，M点的能带具有一种先前未被注意到的对称性，使它们高度特殊，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。

通过大量微观ab initio计算——耗时超过六个月的计算工作——姜毅和皮瀚祺（多诺斯蒂亚国际物理中心）证明，在约三度的低扭转角度下，电子能带显著变平。电子能带的扁平化有效地减慢了电子速度，增强了它们之间的相互作用，并催生了新颖的量子现象。

"这种扁平化可将电子局域在六方晶格或笼目晶格（kagome lattice）排列中，"姜毅指出。皮瀚祺进一步阐述道："这种局域化意味着我们现在可以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的状态，有望带来令人兴奋的应用，包括通往高温超导性的可能途径。然而，它们从未在块体材料中被实验最终确凿观测到，这在很大程度上是因为精确控制掺杂（添加或移除电子）和其他关键材料特性存在极大困难。然而，扭转材料由于其可调结构以及静电门控（electrostatic gating）的可能性——一种无需使材料降解即可实现电子掺杂的技术——提供了更强的实验可控性，从而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体价键相，是M点系统所独有的全新物相。

然而，这项研究超越了理论。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，二维材料领域的全球顶尖专家——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）、单洁和麦金法（均在康奈尔大学）——将这些块状晶体剥离成单层薄片，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。一旦经过扭转、施加门控并进行测量，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往无人预见过的量子物态的大门。因为它们具有如此高的实验可控性，可能性确实是无限的，"他强调道。