Twist to the M-AX (IS): nieuw twistplatform opent pad naar kwantumsimulatie van meer exotische toestanden van materie

Twisted Materials – bekend als Moiré -structuren – hebben een revolutie teweeggebracht in de moderne fysica, die opkwam als de “alchemie” van vandaag door volledig nieuwe fasen van materie te creëren door eenvoudige geometrische manipulatie. De term “Moiré” klinkt misschien bekend – het beschrijft de vreemde kabbelende patronen die je soms ziet bij het fotograferen van gestreepte shirts of schermen; In de natuurkunde is hetzelfde onderliggende principe van toepassing op de atomaire schaal. Stel je voor dat je twee atomisch dunne vellen van dezelfde of verschillende materialen neemt, ze op elkaar stapelt en de ene laag enigszins ten opzichte van de andere roteert.

Opmerkelijk is dat deze eenvoudige wending het resulterende materiaal fundamenteel transformeert, waardoor het exotische eigenschappen kan vertonen die enorm verschillen van zijn individuele lagen. Door de draaihoek zorgvuldig te beheersen, kunnen fysici geheel nieuwe kwantumstaten engineering deuren ontwikkelen, deuren die eerder zijn gesloten voor experimentele wetenschap.

Deze Moiré-structuren beloven een toekomst rijk aan fundamentele wetenschap en technologische toepassingen, van kwantumsimulatoren-gespecialiseerde systemen die wetenschappers helpen complexe kwantumfenomenen te bestuderen-tot ultrasgevoelige Terahertz-sensoren en single-foton detectoren.

Wanneer twee lagen worden gedraaid, interfereren elektronen van elke laag sterk, waardoor hun gecombineerde kwantumlandschap wordt hervormd. Een opvallend voorbeeld van dit effect is gedraaid dubbellaagse grafeen, waarbij supergeleiding – een toestand waarin elektronen zonder weerstand stromen – onduidelijk naar voren komt, hoewel grafeenlagen afzonderlijk niet supergeleidend kunnen worden.

Elektronen in materialen hebben een kwantumgetal genaamd Momentum, dat in wezen hun kwantummechanische beweging beschrijft. Tot nu toe was de focus voornamelijk op zeshoekige roosters gedraaid rond wat bekend staat als K-Points-specifieke punten van elektronisch momentumsymmetrisch onder 120 graden rotaties. Slechts een handvol materialen zoals grafeen, Mote₂, Mose₂ en WSE₂ zijn experimenteel onderzocht.

In nieuw onderzoek gepubliceerd in Natuureen team van internationale onderzoekers introduceert een geheel nieuw kronkelend paradigma op basis van het M-punt van het elektronenmomentum, dat het Moiré-landschap aanzienlijk uitbreidt.

“Tot nu toe is het hele draaien rond de K-punten geweest, waardoor we worden beperkt tot een klein hoekje van het materiële universum”, legt Dumitru CălugĂru (Ph.D. 2024, Princeton), een Leverhulme-Peierls-fellow aan de Universiteit van Oxford uit. “Door onze focus naar de M -punten te verleggen, ontgrendelen we een volledig nieuwe klasse van gedraaide kwantummaterialen met volledig nieuw kwantumgedrag. De positie van het minimum van de elektronische band is de sleutel.”

Het artikel vertegenwoordigt een belangrijke internationale samenwerking op meerdere continenten en instellingen, waaronder Princeton University (VS), Donostia International Physics Centre (Spanje), University of Oxford (VK), The Max Planck Society (Duitsland), Cornell University (VS), Ludwig Maximilian University of München), Universiteit van Sherbrooke (Canada) en University (US).

Het onderzoeksteam – waaronder theoretische fysici, computationele fysici en een internationale groep materiaalwetenschappers en chemici die zijn begonnen met het synthetiseren en exfoliëren van de voorgestelde materialen – begeleid door honderden kandidaat -materialen te identificeren die geschikt zijn voor dit nieuwe type verdraaien.

Deze materialen werden systematisch geclassificeerd op basis van de positie van hun elektronische bandminimum, een kritieke functie die de resulterende kwantumeigenschappen van de gedraaide lagen regelde. Uit deze materialen, twee (snse₂ en ZRS₂) —With Band Minimum op het M-punt-werd gekozen voor de diepgaande huidige studie.

“In tegenstelling tot K-Point Twisting, waar Moiré-banden typisch topologische kenmerken vertonen, vonden we de M-Point Twisted Bands topologisch triviaal en toch opmerkelijk plat”, legt Haoyu Hu, een postdoctoraal onderzoeker bij Princeton.

“De banden op het M-punt hebben echter een eerder onopgemerkt type symmetrie, waardoor ze zeer ongebruikelijk en soms zelfs eendimensionaal worden. Dit verandert fundamenteel hun kwantumgedrag.”

Door uitgebreide microscopische AB -initio -berekeningen – die meer dan zes maanden van computationele inspanningen vereisen – toonden Yi Jiang en Hanqi Pi (Donostia International Physics Center) aan dat de elektronenbanden aanzienlijk worden afgeplat bij lage draaihoeken van ongeveer drie graden. Afvlakking van elektronenbanden vertraagt ​​effectief de elektronen, verbetert hun wederzijdse interacties en geven aanleiding tot nieuwe kwantumfenomenen.

“Deze afvlakking kan elektronen lokaliseren in een zeshoekig rooster of een Kagome -roosterarrangement,” merkte Jiang op.

PI verder uitgewerkt, “dergelijke lokalisatie betekent dat we nu experimenteel verschillende kwantumstaten kunnen realiseren, mogelijk inclusief kwantumspinvloeistoffen.”

Quantum spin-vloeistoffen, ongrijpbare toestanden die natuurkundigen hebben gefascineerd, beloven spannende toepassingen, waaronder mogelijke paden naar supergeleiding van hoge temperatuur. Ze zijn echter nooit definitief experimenteel waargenomen in bulkmaterialen, grotendeels vanwege extreme moeilijkheden bij het nauwkeurig regelen van doping (het toevoegen of verwijderen van elektronen) en andere essentiële materiaaleigenschappen.

Twisted Materials bieden echter een grotere experimentele controleerbaarheid vanwege hun afstembare structuur en de mogelijkheid van elektrostatische poorten – een techniek die het doteren van elektronen zonder het materiaal mogelijk maakt, veel van deze historische hindernissen overwinnen.

De theoretische voorspellingen van het team en gedetailleerde elektronische modellen vormen een belangrijke stap in de richting van het observeren van deze staten in realistische materialen. Andere geïdentificeerde fasen, zoals unidirectionele spin-vloeistoffen en orthonormale dimeer valentiebindingsfasen, zijn volledig nieuw en uniek voor het M-Point-systeem.

Toch overstijgt dit onderzoek de theorie. Medewerkers in kwantummateriaalchemie – Leslie Schoop (Princeton University) en Claudia Felser (Max Planck Institute, Dresden) – hebben al met succes bulkkristallen van verschillende voorspelde kandidaatmaterialen gesynthetiseerd, waardoor de kritische eerste stap in de richting van praktische realisatie wordt geboden.

World-toonaangevende experts in 2D-materialen-waaronder Dmitri Efetov (Ludwig Maximilian University of München), Jie Shan en Kin Fai Mak (beide aan de Universiteit van Cornell)-exfoliëren deze bulkkristallen vervolgens in single-layer sheets, duidelijk om de experimentele haalbaarheid van het voorgestelde platform te demonstreren.

“De experimentele realisatie van deze materialen is van cruciaal belang. Eenmaal gedraaid, gated en gemeten, kunnen deze nieuwe kwantumstaten tastbare realiteiten worden”, zei B. Andrei Bernevig, hoogleraar natuurkunde aan de Princeton University.

“Elke nieuwe wending die we uitvoeren lijkt verrassingen op te leveren. Fundamenteel bieden deze materialen een toegangspoort tot kwantumstaten van materie die niemand heeft voorgesteld. Omdat ze zo experimenteel controleerbaar zijn, zijn de mogelijkheden echt onbeperkt.”