從二維跨越到一維世界！二維材料打開(kāi)了一維物理學(xué)的大門(mén)！

來(lái)自馬克斯·普朗克物質(zhì)結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)研究所(MPSD)、RWTH亞琛大學(xué)和熨斗研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)：將兩張?jiān)颖〉牟牧吓まD(zhuǎn)堆疊在一起所產(chǎn)生的可能性，甚至比預(yù)期要大。科學(xué)家研究了硒化鍺(GeSE)，這是一種具有矩形晶胞的材料，而不是專注于具有三重或六重對(duì)稱的晶格，如石墨烯。通過(guò)結(jié)合大規(guī)模從頭計(jì)算和密度矩陣重整化群計(jì)算，研究表明莫爾干涉圖樣將產(chǎn)生相關(guān)一維系統(tǒng)的平行線。

其研究成果現(xiàn)已發(fā)表在《自然通訊》期刊上，這極大地拓寬了使用莫爾扭曲物理實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的范圍，并為相關(guān)系統(tǒng)如何從二維跨越到一維這一具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題提供了一條道路。由于粒子不能像在多維環(huán)境中那樣彼此通過(guò)，一維系統(tǒng)很耐人尋味，因?yàn)橄嚓P(guān)性必然會(huì)導(dǎo)致集體激發(fā)。對(duì)這兩種數(shù)值方法聯(lián)合分析產(chǎn)生了很好的結(jié)果：能夠?qū)蓮埮で奈N相圖進(jìn)行分類，發(fā)現(xiàn)了許多可實(shí)現(xiàn)的物質(zhì)相。

（上圖所示）扭曲雙層硒化鍺中出現(xiàn)一維相關(guān)態(tài)，圖中顯示了由密度泛函理論計(jì)算得到的這些態(tài)的電荷密度分布。圖片：Lede Xian, J?rg Harms, MPSD

包括莫特絕緣體和所謂的魯廷格液相，這揭示了物理學(xué)在根本上無(wú)視研究人員獨(dú)立的粒子圖像。研究建立了扭曲的硒化鍺作為一個(gè)平臺(tái)，以一種高度可調(diào)和可實(shí)驗(yàn)訪問(wèn)的方式，理解強(qiáng)關(guān)聯(lián)的一維物理和從一維到二維的交叉。這項(xiàng)研究開(kāi)辟了許多未來(lái)的方向，一種特別有趣的方法是替換硒化鍺中的元素，以實(shí)現(xiàn)更高的自旋-軌道耦合。熨斗研究所計(jì)算量子物理中心的馬丁·克拉森指出：

在合適的條件下，將這樣的系統(tǒng)耦合到超導(dǎo)襯底上將產(chǎn)生拓?fù)浔Ｗo(hù)的馬約拉納邊緣模式。這些狀態(tài)特別重要，因?yàn)樗鼈兛梢杂米魉^的量子比特，即經(jīng)典比特的量子等價(jià)物，這是基本的量子計(jì)算結(jié)構(gòu)。因此，能夠創(chuàng)建許多末端連接著Majoranas的平行云紋線，揭示了以自然可擴(kuò)展的方式，解鎖拓?fù)淞孔佑?jì)算耐人尋味的未來(lái)。MPSD理論部主任安赫爾·盧比奧表示：

目前的研究為如何利用扭曲二維材料在量子材料中按需創(chuàng)造特性提供了有價(jià)值的見(jiàn)解。近年來(lái)，在小角度相對(duì)扭曲堆積層級(jí)材料的制備和表征方面的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展表明，出現(xiàn)了平坦的能帶。因此，電子相互作用變得相關(guān)，為強(qiáng)關(guān)聯(lián)二維系統(tǒng)的物理研究提供了新途徑。本研究通過(guò)大規(guī)模從頭計(jì)算和數(shù)值精確強(qiáng)關(guān)聯(lián)方法相結(jié)合的方法，證明了有效的一維系統(tǒng)出現(xiàn)在兩個(gè)扭曲硒化鍺薄片上。

這與目前所研究的所有Moiré系統(tǒng)形成了鮮明對(duì)比。這不僅能在一維上研究激發(fā)的必然集體性質(zhì)，而且還可以作為一個(gè)很有前途的平臺(tái)，通過(guò)改變扭轉(zhuǎn)角度來(lái)仔細(xì)檢查受控設(shè)置中從二維到一維的交叉，這提供了一個(gè)關(guān)于理論的有趣的基準(zhǔn)。因此，研究建立了扭曲的雙層硒化鍺，作為進(jìn)入低維系統(tǒng)強(qiáng)關(guān)聯(lián)物理的有趣途徑。

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博科園｜研究/來(lái)自：馬克斯·普朗克研究所

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-020-14947-0

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