從二維跨越到一維世界!二維材料打開了一維物理學的大門!

2020-11-19 騰訊網

來自馬克斯·普朗克物質結構與動力學研究所(MPSD)、RWTH亞琛大學和熨鬥研究所的研究人員發現：將兩張原子薄的材料扭轉堆疊在一起所產生的可能性，甚至比預期要大。科學家研究了硒化鍺(GeSE)，這是一種具有矩形晶胞的材料，而不是專注於具有三重或六重對稱的晶格，如石墨烯。通過結合大規模從頭計算和密度矩陣重整化群計算，研究表明莫爾幹涉圖樣將產生相關一維系統的平行線。

其研究成果現已發表在《自然通訊》期刊上，這極大地拓寬了使用莫爾扭曲物理實現結構的範圍，並為相關系統如何從二維跨越到一維這一具有挑戰性的問題提供了一條道路。由於粒子不能像在多維環境中那樣彼此通過，一維系統很耐人尋味，因為相關性必然會導致集體激發。對這兩種數值方法聯合分析產生了很好的結果：能夠對兩張扭曲的硒化鍺相圖進行分類，發現了許多可實現的物質相。

（上圖所示）扭曲雙層硒化鍺中出現一維相關態，圖中顯示了由密度泛函理論計算得到的這些態的電荷密度分布。圖片：Lede Xian, J rg Harms, MPSD

包括莫特絕緣體和所謂的魯廷格液相，這揭示了物理學在根本上無視研究人員獨立的粒子圖像。研究建立了扭曲的硒化鍺作為一個平臺，以一種高度可調和可實驗訪問的方式，理解強關聯的一維物理和從一維到二維的交叉。這項研究開闢了許多未來的方向，一種特別有趣的方法是替換硒化鍺中的元素，以實現更高的自旋-軌道耦合。熨鬥研究所計算量子物理中心的馬丁·克拉森指出：

在合適的條件下，將這樣的系統耦合到超導襯底上將產生拓撲保護的馬約拉納邊緣模式。這些狀態特別重要，因為它們可以用作所謂的量子比特，即經典比特的量子等價物，這是基本的量子計算結構。因此，能夠創建許多末端連接著Majoranas的平行雲紋線，揭示了以自然可擴展的方式，解鎖拓撲量子計算耐人尋味的未來。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造特性提供了有價值的見解。近年來，在小角度相對扭曲堆積層級材料的製備和表徵方面的實驗進展表明，出現了平坦的能帶。因此，電子相互作用變得相關，為強關聯二維系統的物理研究提供了新途徑。本研究通過大規模從頭計算和數值精確強關聯方法相結合的方法，證明了有效的一維系統出現在兩個扭曲硒化鍺薄片上。

這與目前所研究的所有Moiré系統形成了鮮明對比。這不僅能在一維上研究激發的必然集體性質，而且還可以作為一個很有前途的平臺，通過改變扭轉角度來仔細檢查受控設置中從二維到一維的交叉，這提供了一個關於理論的有趣的基準。因此，研究建立了扭曲的雙層硒化鍺，作為進入低維系統強關聯物理的有趣途徑。

博科園｜研究/來自：馬克斯·普朗克研究所

參考期刊《自然通訊》

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