当两层材料发生扭转时,各层的电子会产生强烈干涉,重塑其组合量子态。这种效应的典型例证是魔角扭转双层石墨烯体系,其中原本不具备超导特性的单层石墨烯在特定扭转角度下竟意外呈现零电阻的超导态。
材料中的电子具有称为动量的量子数,该参数本质描述了量子力学运动状态。传统研究主要聚焦于围绕布里渊区K点(具有120度旋转对称性的特殊动量点)进行扭转的六方晶格体系,目前仅有石墨烯、MoTe2、MoSe2和WSe2等少数材料被实验探索。然而《自然》最新研究揭示,基于动量空间M点的全新扭转范式可极大扩展莫尔超晶格的研究版图。
牛津大学Leverhulme-Peierls研究员Dumitru Călugăru指出:"以往所有扭转都围绕K点展开,将我们限制在材料宇宙的狭小角落。通过将焦点转向M点,我们开启了具有全新量子行为的扭曲量子材料体系,电子能带极值点的位置是这一现象的物理核心"。
该研究凝聚了国际跨学科团队的力量,成员涵盖普林斯顿大学、马克斯·普朗克研究所、康奈尔大学等十余个机构。研究团队通过系统性筛选数百种候选材料,重点关注其电子能带极值位置,最终选定SnSe2和ZrS2作为典型M点材料展开深入研究。
普林斯顿博士后Haoyu Hu阐释:"与K点扭转产生的拓扑能带不同,M点扭转形成的能带虽拓扑平庸但显著平坦化。更重要的是这些能带蕴含新型对称性,导致其量子行为呈现准一维特征"。西班牙唐诺斯提亚国际物理中心团队通过历时半年的微观计算证实,3度左右的小角度扭转可使能带显著平坦化,极大增强电子相互作用。
研究者发现,这种能带平坦化可将电子局域在六方或kagome晶格中。西班牙团队Hanqi Pi表示:"此类局域化为实验实现量子自旋液体等新奇物态提供了可能"。这类长期未被实验证实的量子态因传统体材料掺杂控制的困难而难以观测,但可调控的扭曲材料体系通过静电门控技术突破了这个瓶颈。
研究不仅预测了单向自旋液体等全新物相,更通过材料化学家的协作完成了候选体材料的合成。慕尼黑大学、康奈尔大学团队已成功剥离出单层晶体,为实验验证奠定了物质基础。普林斯顿教授B. Andrei Bernevig强调:"这些材料具有前所未有的实验可控性,每次扭转都可能带来量子物态的新发现,其潜力无可限量"。
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Materials provided byPrinceton University, Department of Physics.Note: Content may be edited for style and length.