研究背景
随着量子材料研究的迅猛发展，莫尔材料这一新兴领域引起了广泛关注。莫尔材料是通过原子级薄晶体的旋转错位或晶格失配设计而成的一类高度可调的二维材料。在这些材料中，电子之间的库仑相互作用占主导地位，产生了许多独特且集体的电子相态，这些相态通常具有稳健的拓扑特性。然而，尽管莫尔材料展示了巨大的潜力，许多基础问题仍未解决。
莫尔材料的关键在于其形成的平坦电子能带。平坦能带大大降低了电子的动能，使得电子间的相互作用变得更加显著。这种情况有利于产生各种新奇的量子相态，如相关绝缘体、非常规超导体、量子霍尔绝缘体和拓扑Chern绝缘体等。然而，尽管理论上这些相态的存在已经被预测，实际实验中如何确定这些相态的具体机制仍然是一个重要的问题。
研究内容
为了解决这一问题，为了解决这些挑战，美国普林斯顿大学（Princeton University）Kevin P. Nuckolls & Ali Yazdani两人在“Nature Reviews Materials”期刊上发表了题为“A microscopic perspective on moiré materials”的最新论文。科学家们采用了多种先进的实验技术。例如，局部光谱学技术能够提供高分辨率的电子态信息，有助于理解电子相互作用的细节；热力学探测技术可以揭示莫尔材料在不同温度下的相变行为；电磁探测技术则用于研究材料的整体电学和磁学性质。此外，最近开发的局部探针技术，包括局部电荷传感和量子干涉探针等，也在莫尔材料研究中展现出巨大的潜力。这些技术不仅帮助识别了许多相关绝缘体、广义Wigner晶体、非常规超导体、莫尔铁电体和拓扑轨道铁磁体的基本机制，还揭示了那些通过空间平均全局探测技术无法观测到的脆弱量子相。
本研究旨在进一步探讨莫尔材料中电子相互作用和拓扑性质之间的关系。通过结合局部光谱学、热力学和电磁探测技术，对多种莫尔材料平台进行了系统的实验研究。具体来说，研究人员研究了魔角扭曲双层石墨烯、扭曲单层双层石墨烯以及多种过渡金属二硫化物的电子相态，试图揭示这些材料中存在的各类新奇量子相的具体机制。
图文解读
（1）实验首次将电子关联和拓扑保护特性结合在莫尔材料中，得到了多种新颖且意想不到的电子相态。通过旋转错位或晶格失配设计的高度可调二维材料平台，研究人员能够创建长波长的干涉图案，形成放大的莫尔超晶格。这些超晶格通常具有平坦的电子能带，为相关的集体物质相的形成提供了理想环境。
（2）实验通过多种局部探针技术，揭示了莫尔材料中的许多基础机制和电子相态。具体结果如下：
- 利用局部光谱学技术，研究人员识别了莫尔材料中的相关绝缘体、广义Wigner晶体和非常规超导体。这些技术能够捕捉到空间平均全局探测所无法发现的脆弱量子相。
- 热力学探测技术揭示了莫尔材料中电子相变的热力学性质，提供了对这些相变机制的深入理解。
- 电磁探测技术展示了莫尔材料中的拓扑轨道铁磁体和莫尔铁电体的存在，进一步丰富了对这些新型材料特性的认识。
（3）实验还开发了新的局部探针技术，包括局部电荷传感和量子干涉探针。这些技术揭示了莫尔材料中的新物理可观测量，例如局部电荷分布和量子干涉效应。这些发现进一步证明了莫尔材料在研究强关联量子系统中的重要性，并为未来技术应用提供了新的思路。
（4）通过对多种莫尔材料平台的研究，实验结果表明，这些材料在电子关联效应和拓扑保护特性方面具有显著的协同作用。例如，在魔角扭曲双层石墨烯和扭曲双层MoTe2中，研究人员发现了由关联驱动的拓扑相态，如相关Chern绝缘体和分数Chern绝缘体。这些相态在单粒子效应下是无法实现的，证明了莫尔材料在拓展量子材料研究边界方面的巨大潜力。
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。
结论展望
莫尔材料的研究揭示了在高度可调性的二维材料中涌现出的多种奇异电子相态，这不仅促进了对量子材料物理的深入理解，也为未来技术应用提供了新的可能性。通过局部探针技术的发展，我们得以深入探索莫尔材料中复杂相态的微观起源，这将推动对这些奇特量子相的理解迈向新的高度。在未来的研究中，需要解决现有局部探针技术的技术限制，并进一步开发新的局部探针技术，以便更好地理解莫尔材料。此外，继续在莫尔材料中寻找并理解其他材料中未曾出现的奇异量子相，将为这一新兴领域的进一步发展提供重要支持。最终，相信通过这些努力，将揭示出更多关于量子相态的奥秘，推动量子材料研究向前迈进。
该工作发表在Nature Reviews Materials上
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41578-024-00682-1
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