从二维跨越到一维世界！二维材料打开了一维物理学的大门！

赤脚晓涛

来自马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所(MPSD)、RWTH亚琛大学和熨斗研究所的研究人员发现：将两张原子薄的材料扭转堆叠在一起所产生的可能性，甚至比预期要大。科学家研究了硒化锗(GeSE)，这是一种具有矩形晶胞的材料，而不是专注于具有三重或六重对称的晶格，如石墨烯。通过结合大规模从头计算和密度矩阵重整化群计算，研究表明莫尔干涉图样将产生相关一维系统的平行线。


其研究成果现已发表在《自然通讯》期刊上，这极大地拓宽了使用莫尔扭曲物理实现结构的范围，并为相关系统如何从二维跨越到一维这一具有挑战性的问题提供了一条道路。由于粒子不能像在多维环境中那样彼此通过，一维系统很耐人寻味，因为相关性必然会导致集体激发。对这两种数值方法联合分析产生了很好的结果：能够对两张扭曲的硒化锗相图进行分类，发现了许多可实现的物质相。


（上图所示）扭曲双层硒化锗中出现一维相关态，图中显示了由密度泛函理论计算得到的这些态的电荷密度分布。图片：Lede Xian, Jrg Harms, MPSD
包括莫特绝缘体和所谓的鲁廷格液相，这揭示了物理学在根本上无视研究人员独立的粒子图像。研究建立了扭曲的硒化锗作为一个平台，以一种高度可调和可实验访问的方式，理解强关联的一维物理和从一维到二维的交叉。这项研究开辟了许多未来的方向，一种特别有趣的方法是替换硒化锗中的元素，以实现更高的自旋-轨道耦合。熨斗研究所计算量子物理中心的马丁·克拉森指出：


在合适的条件下，将这样的系统耦合到超导衬底上将产生拓扑保护的马约拉纳边缘模式。这些状态特别重要，因为它们可以用作所谓的量子比特，即经典比特的量子等价物，这是基本的量子计算结构。因此，能够创建许多末端连接着Majoranas的平行云纹线，揭示了以自然可扩展的方式，解锁拓扑量子计算耐人寻味的未来。MPSD理论部主任安赫尔·卢比奥表示：


目前的研究为如何利用扭曲二维材料在量子材料中按需创造特性提供了有价值的见解。近年来，在小角度相对扭曲堆积层级材料的制备和表征方面的实验进展表明，出现了平坦的能带。因此，电子相互作用变得相关，为强关联二维系统的物理研究提供了新途径。本研究通过大规模从头计算和数值精确强关联方法相结合的方法，证明了有效的一维系统出现在两个扭曲硒化锗薄片上。


这与目前所研究的所有Moiré系统形成了鲜明对比。这不仅能在一维上研究激发的必然集体性质，而且还可以作为一个很有前途的平台，通过改变扭转角度来仔细检查受控设置中从二维到一维的交叉，这提供了一个关于理论的有趣的基准。因此，研究建立了扭曲的双层硒化锗，作为进入低维系统强关联物理的有趣途径。


博科园｜研究/来自：马克斯·普朗克研究所
参考期刊《自然通讯》
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