理论物理学家揭示了扭曲的材料层如何产生神秘的电子路径偏转效应

2018年，材料科学的一项发现在整个社区引发了冲击波。宾夕法尼亚大学的Ritesh Agarwal说，一个团队表明，以精确的“魔角”堆叠两层石墨烯——一层从石墨中提取的蜂窝状碳层——可以将其变成超导体

这引发了“扭曲力学”领域的研究，揭示了扭曲分层材料可以释放非凡的材料特性

在这一概念的基础上，Agarwal、宾夕法尼亚大学理论物理学家Eugene Mele和合作者将双宇宙论带入了新的领域

在《自然》杂志发表的一项研究中，他们研究了螺旋堆叠的二硫化钨（WS2）晶体，发现通过扭曲这些层，光可以用来操纵电子。其结果类似于科里奥利力，科里奥利力在旋转坐标系中弯曲物体的路径，就像风和洋流在地球上的行为一样

“我们发现，通过简单地扭转材料，我们可以控制电子的运动方式，”工程与应用科学学院Srinivasa Ramanujan杰出学者Agarwal说。当研究小组将圆偏振光照射到WS2螺旋上时，这种现象尤为明显，导致电子根据材料的内部扭曲向不同方向偏转

团队最新发现的起源可以追溯到新冠肺炎疫情封锁的早期，当时实验室关闭，第一作者朱润（Judy）Ji正在完成博士学位

由于无法在太空中进行物理实验，她将注意力转移到更多的理论工作上，并与艺术与科学学院的克里斯托弗·H·布朗杰出物理学教授Mele合作

他们共同开发了一个扭曲环境中电子行为的理论模型，该模型基于这样一种推测，即连续扭曲的晶格将创造一个奇怪而复杂的景观，在那里电子可以表现出新的量子行为

“这些材料的结构让人联想到DNA或螺旋楼梯。这意味着晶体中通常的周期性规则——原子以整齐、重复的模式排列——不再适用，”季说

随着2021年的到来和疫情限制的解除，Agarwal在一次科学会议上了解到，威斯康星大学麦迪逊分校的前同事Song Jin正在以连续的螺旋扭曲方式生长晶体。阿加瓦尔认识到金螺旋扭曲的WS2晶体是检验季和梅尔理论的完美材料，于是安排金送来一批。实验结果很有趣

Mele说，这种效应反映了科里奥利力，这一观察通常与旋转系统中看到的神秘侧向偏转有关。从数学上讲，这种力与磁偏转非常相似，这解释了为什么即使没有磁场，电子也表现得好像有磁场一样。这一见解至关重要，因为它将晶体的扭曲和与圆偏振光的相互作用联系在一起

Agarwal和Mele将电子响应与经典霍尔效应进行了比较，其中流过导体的电流被磁场侧向偏转。但是，虽然霍尔效应是由磁场驱动的，但这里的“扭曲结构和科里奥利力正在引导电子，”Mele说

“这一发现不仅仅是为了发现这种力；它是为了理解它何时出现以及为什么出现，更重要的是，它何时不应该出现。”

Mele补充道，主要挑战之一是，一旦他们认识到这种科里奥利偏转可能发生在扭曲的晶体中，这个想法似乎太有效了。这种效应在理论中表现得如此自然，以至于即使在不应该存在的情况下，似乎也很难关闭。我们花了将近一年的时间才确定观察或抑制这种现象的确切条件

Agarwal将这些材料中电子的行为比作“在水上公园滑下滑梯。如果一个电子像传统的材料晶格一样沿着直滑梯滑下，一切都会很顺利。但是，如果你把它沿着螺旋滑梯滑下去，这是一种完全不同的体验。电子感觉到向不同方向推动它的力，然后从另一端出来，有点‘头晕’。”

这种“头晕”对团队来说特别令人兴奋，因为它引入了对电子运动的新程度的控制，纯粹是通过材料的几何扭曲来实现的。更重要的是，这项工作还揭示了强烈的光学非线性，这意味着材料对光的响应被显著放大

Agarwal说：“在典型的材料中，光学非线性很弱，但在我们的扭曲系统中，它非常强，这表明它在光子器件和传感器中具有潜在的应用。”

这项研究的另一个方面是莫尔图案，这是层间轻微角度错位的结果，在这种效应中起着重要作用。在这个系统中，由扭曲产生的莫尔长度尺度与光的波长相当，使光能够与材料的结构发生强烈的相互作用

Agarwal说：“光和莫尔图案之间的这种相互作用增加了一层复杂性，增强了我们观察到的效果，这种耦合使光能够如此有效地控制电子行为。”

当光与扭曲结构相互作用时，研究小组观察到了在常规二维材料中看不到的复杂波函数和行为。这一结果与“高阶量子几何量”的概念有关，如Berry曲率多极子，它提供了对材料量子态和行为的洞察

这些发现表明，扭曲从根本上改变了电子结构，创造了传统材料无法控制电子流动的新途径

最后，研究发现，通过稍微调整WS2螺旋的厚度和手性，可以微调光学霍尔效应的强度。这种可调性表明，这些扭曲结构可能是设计具有高度可调特性的新型量子材料的有力工具

Agarwal说：“我们在如何操纵材料中的电子行为方面一直受到限制。我们在这里展示的是，通过控制扭曲，我们可以引入全新的特性。”

“我们真的只是触及了可能的表面。螺旋结构为光子和电子相互作用提供了一种新的方式，我们正在进入一个全新的领域。这个系统还能揭示什么？”