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「莫尔物理新范式」普林斯顿马普所合作Nature论文:SnSe₂/ZrS₂扭曲双层实现M点能谷调控与拓扑新效应

导语

如果把两层石墨烯像“转咖啡杯”般轻轻一扭,就能创造出超导材料——这项曾获诺奖的“魔角石墨烯”技术,如今被中国科学家参与的国际团队赋予了更强大的生命力。他们不再执着于传统材料,而是将两层硒化锡(SnSe₂)像搭积木般旋转3.89°,竟在微观世界建起一座拥有“三座量子峡谷”和“光速单行道”的电子之城!这项发表于《Nature》的研究,可能成为打开高温超导与量子计算的下一把钥匙...

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核心突破

研究首次提出“M点莫尔材料” 新范式,颠覆了传统莫尔材料局限于Γ点或K点的设计思路。通过堆叠三角晶格单层材料SnSe₂与ZrS₂并施加微小扭转角(3.89°–13.17°),发现: 

1. 三谷物理新效应:布里渊区M点产生三个受时间反演保护的电子谷,通过C₃z旋转对称性耦合;  

2. 突破性对称性:在非磁性体系中首次实现动量空间非共形对称性(无需外加千特斯拉磁场);  

3. 奇异能带结构:形成Kagome点阵结构的平带,为强关联物理提供理想平台;  

4. 准一维特性:受非共形镜面对称性约束,单粒子能带呈现类一维行为,有望模拟鲁廷格液体。

科学意义

量子模拟新工具:M点魔角材料为模拟高温超导、量子磁性等复杂现象提供了可调控的实验平台,可能推动拓扑量子计算和新型电子器件发展。  

基础物理探索:动量空间非对称性对称性的发现挑战了传统晶体学分类,拓展了对对称性保护拓扑态的理解。  

材料设计范式:研究指出了更多潜在材料(如1T-ZrSe₂、GaTe等),为二维材料家族开辟了新分支。  

未来展望:下一步,团队计划通过实验制备这些材料,并探索其在强磁场、电场调控下的行为,进一步验证Luttinger液体和量子自旋液体的存在。

正如论文通讯作者Bernevig所述:“M点如同莫尔宇宙的暗物质,我们刚刚瞥见它的冰山一角。”

图1:动量空间的“量子乐高”

动量空间的Q点阵:针对扭曲三角晶格单层材料

a-c 这三幅图分别对应了低能自由度位于布里渊区Γ点(a)、K点(b)和 M点(c)的情形。在每个图中,子晶格(sublattices)根据上方图例的颜色进行标注。灰色的六边形表示莫尔布里渊区(moiré BZ),而黑色的箭头则标示了莫尔倒易矢量bM1,bM2以及辅助矢量q'1,2,3和q0,1,2。

figure 1

图2:材料基因图谱

用于M点莫尔材料的可剥离单层

a-b 1T-SnSe₂和1T-ZrS₂的晶体结构侧视图(a)和俯视图(b)。

c-d 分别为SnSe₂和ZrS₂基于第一性原理计算的能带结构。最低的自旋极化导带(其能带最小值位于M点处)用红色高亮标出,而贡献低能态的万尼尔轨道 (Wannier orbitals) 则在插图中显示。黄色(蓝色)对应轨道的正(负)符号。

figure 2

图3:平带诞生实录

M点莫尔材料SnSe₂和ZrS₂的第一性原理计算结果

a-d 在公度角θ= 3.89°下,AA堆叠(a,c)和AB堆叠(b,d)的扭曲SnSe₂和ZrS₂的能带结构。图中同时展示了基于第一性原理计算(ab initio)和能谷分辨连续模型(valley-resolved continuum model)的能带结构。

e-h 对应于η=0能谷中第一组和第二组自旋极化能带的层分辨电荷密度分布(layer-resolved CDD)。虚线六边形标示了维格纳-塞茨原胞(Wigner-Seitz unit cell)。

figure 3

图4:理论模型的“上帝公式”

解析连续的M点莫尔模型 

a 单层与莫尔布里渊区(BZs)之间的关系,其中彩色六边形和灰色六边形分别代表各自的布里渊区。

b η=0能谷中Q点阵的生成,展示了莫尔势能矩阵TQ,Q'的跃迁项(hopping terms)。

c AA堆叠SnSe₂在θ=3.89°时的简化莫尔模型的能带结构。其颜色方案与图3保持一致。

figure 4

图5:量子世界的“空间折叠术”

动量空间非公度对称性

a 实现±Mz对称性的含磁通梯子紧束缚模型。费米子算符和跃迁振幅在每个格点(黑点)上方标出。

b 色散关系。

c AA堆叠SnSe2在转角θ=3.89°时,第一莫尔布里渊区内第一能带的能量色散。

d 在谷η=0的M点莫尔系统中,相应原子能带准一维特性的示意图。每个万尼尔轨道(点)根据其±Mz本征值着色。灰色矩形代表每个±Mz对称性扇区的矩形元胞。

figure 5

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第一性原理晶格弛豫结果:扭转AA堆叠SnSe₂与ZrS₂在θ=3.89°下的结构优化

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扭转AA堆叠SnSe₂与ZrS₂双层结构在13.17°≥θ≥5.09°转角范围内的第一性原理能带结构

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用于构建高保真度连续介质模型的工作流程

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M点莫尔SnSe₂与ZrS₂体系的小角度能带结构

结语:

从石墨烯魔角到M点三重谷,莫尔超晶格正成为人类操控量子世界的“乐高积木”。随着SnSe₂/ZrS₂等材料进入实验室,一个比高温超导更复杂、比拓扑绝缘体更奇异的量子新大陆已浮现地平线。

自然界最深邃的奥秘, 往往藏在最冷僻的角落

DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-025-09187-5

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