仪器新应用！普林斯顿大学通过多种探测设备揭示莫尔材料中的新物理机制！

【科学背景】

莫尔材料是通过旋转或晶格错位设计的高度可调的强关联二维材料，因其在拓扑和电子关联效应方面的独特特性成为了研究热点。然而，其存在的主要挑战在于理解和控制这些材料中出现的复杂电子相行为。

莫尔材料中的平坦能带结构极大地增强了库仑相互作用，导致一系列集体电子相的产生，包括相关绝缘体、非常规超导体和拓扑相。这些相的微观机制复杂多样，且往往对环境参数（如温度、外磁场和电场）非常敏感，使得实验研究和理论建模都面临巨大挑战。

有鉴于此，美国普林斯顿大学Kevin P. Nuckolls & Ali Yazdani教授两人在“Nature Reviews Materials”期刊上发表了题为“A microscopic perspective on moiré materials”的研究论文。科学家们提出了多种局部探测技术以深入研究莫尔材料中的电子相行为。例如，局部光谱学、热力学和电磁探测技术被广泛应用于探测这些材料中的电子态和相变。具体而言，扫描隧道显微镜（STM）和扫描透射电镜（STEM）等局部探测工具能够直接观察到莫尔材料中的局部电子态和结构变化。这些技术帮助科学家揭示了莫尔材料中相关绝缘体、广义Wigner晶体、非常规超导体、莫尔铁电体和拓扑轨道铁磁体等多种电子相的形成机制。

通过这些研究，科学家们不仅识别了莫尔材料中的基本物理机制，还发现了一些通过传统全局探测手段无法观察到的脆弱量子相。此外，新开发的局部电荷传感和量子干涉探针技术进一步揭示了莫尔材料中的新物理可观测量。

【科学亮点】

1. 实验首次通过旋转或晶格失配设计出莫尔材料，产生了高度可调的二维材料平台。

• 莫尔材料通过相同二维原子晶体的旋转错位或不同二维原子晶体的晶格失配设计而成。

• 这些材料形成了长波长的干涉图案，导致平坦的电子能带，非常有利于相关的集体物质相的形成。

2. 实验揭示了莫尔材料中的电子关联效应和拓扑保护特性。

• 莫尔材料中，电子之间的库仑相互作用主导系统的动力学，使得相关相得以形成。

• 这些材料的低能带结构由与六方原子晶格相关的狄拉克物理描述，具有内在的自旋-轨道耦合，有利于拓扑特性。

3. 实验通过局部光谱学、热力学和电磁探测技术，发现了多种奇异的电子相态。

• 这些技术揭示了相关绝缘体、广义Wigner晶体、非常规超导体、莫尔铁电体和拓扑轨道铁磁体等奇异相的基本机制。

• 局部探针技术，如局部电荷传感和量子干涉探针，揭示了新的物理可观测量，发现了脆弱的量子相态。

4. 实验展示了旋转错位和晶格失配设计的多样性及其产生的丰富物理现象。

• 旋转错位设计涵盖了多种莫尔同质双层和多层结构，包括扭曲单层、双层、三层、四层和五层石墨烯，以及扭曲的过渡金属二硫化物（如WSe2、WS2、WTe2和MoTe2）。

• 晶格失配设计涵盖了对准的异质双层TMDs（如WSe2/WS2和MoTe2/WSe2）和对准的石墨烯/六方氮化硼（hBN）异质结构。

【科学图文】

图1：莫尔材料的相图。

图2. 在双层魔角石墨烯中，电子跃迁的平坦电子带和级联。

图3. 在莫尔石墨烯中的相关绝缘体。

图 4：在莫尔过渡金属二硫属元素化物中，相关绝缘体的成像。

图5：在莫尔石墨烯中，相关驱动拓扑相的局部传感。

图6: 成像轨道铁磁性和莫尔铁电性。

图7: 在莫尔石墨烯中，非常规超导电性的光谱探针。

【科学结论】

本文展示了莫尔材料作为一种新兴材料类别在量子材料领域中的引人注目的研究前景。通过对莫尔材料的局部探测和研究，揭示了其复杂的电子相态和奇异性质，为我们理解强关联量子系统提供了独特的视角。特别是，莫尔材料展现了拓扑和关联效应的独特结合，产生了许多未曾在自然界其他材料中观察到的新奇电子相。

本文呼吁进一步发展新的局部探针技术，以解决现有技术的局限性，促进对莫尔材料的更深入理解。同时，强调了继续在莫尔材料中寻找和理解未实现的奇异量子相的重要性，特别是对零磁场下稳定的分数Chern绝缘体（FCIs）的研究。这将推动我们对莫尔材料及其潜在应用的全面认识，为未来量子材料研究和技术应用开辟新的可能性。

原文详情：Nuckolls, K.P., Yazdani, A. A microscopic perspective on moiré materials. Nat Rev Mater (2024). https://doi.org/10.1038/s41578-024-00682-1