Простое скручивание открывает ранее неизвестное квантовое поведение

В некоторых M-точечных муаровых материалах электроны фиксируются в перекрещивающихся узорах — признак одномерного поведения. В определённых случаях они также могут замерзать в ортонормированных валентных связях, раскрывая более глубокий уровень квантового порядка. Автор: Думитру Кэлугэру

Скрученные материалы, известные как муаровые структуры, произвели революцию в современной физике, став современной «алхимией», создающей совершенно новые фазы материи с помощью простого геометрического манипулирования. Термин «муар» может показаться знакомым — он описывает странные волнообразные узоры, которые иногда видны при фотографировании полосатых рубашек или экранов; в физике тот же принцип работает на атомном уровне. Представьте, что вы берёте два атомарно тонких листа одного или разных материалов, складываете их вместе и слегка поворачиваете один слой относительно другого. Удивительно, но это простое скручивание кардинально меняет свойства материала, позволяя ему демонстрировать экзотические свойства, радикально отличающиеся от свойств отдельных слоёв. Тщательно контролируя угол скручивания, физики могут создавать совершенно новые квантовые состояния, открывая двери, ранее закрытые для экспериментальной науки. Эти муаровые структуры обещают будущее, богатое фундаментальными открытиями и технологическими приложениями — от квантовых симуляторов (специализированных систем, помогающих учёным изучать сложные квантовые явления) до сверхчувствительных терагерцовых датчиков и детекторов одиночных фотонов.

«До сих пор все скручивания проводились вокруг K-точек, ограничивая нас небольшим уголком материальной вселенной», — объясняет Думитру Кэлугэру (PhD 2024, Принстон), стипендиат Leverhulme-Peierls в Оксфордском университете. «Сместив фокус на M-точки, мы открываем совершенно новый класс скрученных квантовых материалов с принципиально новым квантовым поведением. Положение минимума электронной зоны здесь ключевое», — говорит Кэлугэру.

Исследование, опубликованное в журнале Nature, представляет собой масштабное международное сотрудничество учёных из Принстонского университета (США), Донгостийского международного физического центра (Испания), Оксфордского университета (Великобритания), Общества Макса Планка (Германия), Корнеллского университета (США), Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана (Германия), Университета Шербрука (Канада) и Университета Флориды (США).

Команда, включающая теоретических и вычислительных физиков, а также международную группу материаловедов и химиков, начала с идентификации сотен кандидатов среди материалов, подходящих для этого нового типа скручивания. Эти материалы были систематически классифицированы на основе положения минимума их электронной зоны — критически важной характеристики, определяющей квантовые свойства скрученных слоёв. Из них два материала (SnSe₂ и ZrS₂) с минимумом зоны в M-точке были выбраны для углублённого изучения.

«В отличие от K-точечного скручивания, где муаровые зоны обычно проявляют топологические характеристики, мы обнаружили, что M-точечные скрученные зоны топологически тривиальны, но удивительно плоские», — объяснил Хаою Ху, постдок в Принстоне. «Однако зоны в M-точке обладают ранее незамеченным типом симметрии, делающим их высоко необычными и иногда даже одномерными. Это фундаментально меняет их квантовое поведение», — добавил Ху.

С помощью масштабных микроскопических расчётов ab initio, потребовавших более шести месяцев вычислительных усилий, И Цзян и Ханьци Пи (Донгостийский международный физический центр) показали, что электронные зоны значительно уплощаются при малых углах скручивания около трёх градусов. Уплощение электронных зон эффективно замедляет электроны, усиливая их взаимные взаимодействия и порождая новые квантовые явления.

«Это уплощение может локализовать электроны либо в гексагональной, либо в кагоме-решётке», — отметил Цзян. Пи дополнил: «Такая локализация означает, что мы теперь можем экспериментально реализовать разнообразные квантовые состояния, потенциально включая квантовые спиновые жидкости».

Квантовые спиновые жидкости — неуловимые состояния, десятилетиями очаровывающие физиков, — обещают захватывающие приложения, включая возможные пути к высокотемпературной сверхпроводимости. Однако их никогда не наблюдали экспериментально в объёмных материалах из-за крайних сложностей в точном контроле легирования (добавления или удаления электронов) и других ключевых свойств материала. Скрученные материалы, однако, предлагают бо́льшую экспериментальную управляемость благодаря своей настраиваемой структуре и возможности электростатического затвора — техники, позволяющей легировать электроны без деградации материала, преодолевая многие исторические препятствия.

Теоретические предсказания команды и детальные электронные модели представляют собой важный шаг к наблюдению этих состояний в реальных материалах. Другие идентифицированные фазы материи, такие как однонаправленные спиновые жидкости и ортонормированные димерные валентные связи, совершенно новы и уникальны для M-точечной системы.

Исследование выходит за рамки теории. Коллеги по квантовой химии материалов — Лесли Шуп (Принстонский университет) и Клаудия Фельзер (Институт Макса Планка, Дрезден) — уже успешно синтезировали объёмные кристаллы нескольких предсказанных материалов, сделав критический первый шаг к практической реализации. Ведущие мировые эксперты по 2D-материалам, включая Дмитрия Ефетова (Мюнхенский университет Людвига-Максимилиана), Цзе Шань и Кин Фай Мака (оба из Корнеллского университета), затем эксфолировали эти кристаллы в однослойные листы, ясно демонстрируя экспериментальную осуществимость предложенной платформы.

«Экспериментальная реализация этих материалов критически важна. После скручивания, затвора и измерений эти новые квантовые состояния могут стать осязаемой реальностью», — сказал Б. Андрей Берневиг, профессор физики в Принстонском университете. «Каждое новое скручивание приносит сюрпризы. Фундаментально, эти материалы предлагают путь к квантовым состояниям материи, которые никто не мог представить. Поскольку они так хорошо контролируемы экспериментально, возможности действительно безграничны», — подчеркнул он.

Источники: sciencedaily.com

Материалы предоставлены Принстонским университетом, факультетом физики. Примечание: содержание может быть отредактировано для стиля и длины.