研究预测在分数填充莫尔超晶格中出现一种新的量子异常晶体

Josiah02

莫尔超晶格是两层二维 (2D) 材料以较小的扭转角度叠加时产生的结构，已成为众多物理学研究的焦点。这是因为最近人们发现，它们承载着新颖而迷人的未观察到的物理现象和奇异的物质相。
加州州立大学北岭分校、斯德哥尔摩大学和麻省理工学院 (MIT) 的研究人员最近预测，在分数填充的莫尔超晶格带中会出现一种新的量子异常物质状态。他们的论文发表在《物理评论快报》上，预测了这种物质状态在扭曲的半导体双层 𝑡MoTe 2中的存在。
“莫尔材料包含各种电子相，包括拓扑量子液体和电子晶体，”论文合著者梁富告诉 Phys.org。“从广义上讲，结晶和拓扑分别植根于电子的粒子和波动方面。”
受近期莫尔超晶格研究的启发，傅氏等人开始探索此类材料中电子的双重性质。经过计算和考量，他们预测此类材料中将出现一种前所未有的拓扑电子晶体。
论文共同作者 Donna Sheng 表示：“考虑到莫尔超晶格系统独特的特征，以及动能和相互作用之间更丰富的相互作用，我们的主要目标是了解可以实现哪些新的量子相，以及如何表征它们。”
研究团队发现的新物质状态展现出铁磁性、电荷序和拓扑结构相互交织的有趣组合。这种特性组合非常不寻常，因为拓扑结构和局部电荷序通常相互竞争，不会同时出现。
“这类状态在莫尔超晶格中可能相当常见，并具有明显的实验特征，包括量化且令人惊讶的大零场霍尔电导，”该论文的共同作者埃米尔·J·伯格霍尔茨 (Emil J. Bergholtz) 说。
“更令人惊奇的是，强库仑相互作用驱动着这种状态。如果没有这些相互作用，系统就会表现得像一块简单的金属。然而，强相互作用系统的拓扑结构仍然以陈绝缘态的形式以有效非相互作用的费米子形式表现出来。”
研究团队对这种新物质状态的预测是基于大量数值计算，使用来自研究扭曲双层半导体的数据。研究人员还创建了一个简单的现象学模型，该模型捕捉了新状态的主要定性特征，从而更好地理解了其底层物理原理。
论文共同作者艾哈迈德·阿布埃尔科姆桑 (Ahmed Abouelkomsan) 表示：“我们的研究发现了一种新的、意想不到的物质相，它结合了强相互作用材料中出现的量子现象的不同方面，例如结晶和拓扑。”
“我们发现，该相与邻近相（如复合费米液相，不会出现结晶）存在竞争。因此，我们的发现为当前针对莫尔材料进行的实验提供了指导，这些实验旨在找出可能的潜在相。”
这项最新研究为研究莫尔超晶格中物质的奇异相开辟了新的可能性。最近的研究收集了扭曲双层三层石墨烯中量子异常霍尔晶体的实验观察结果，这与加州州立大学北岭分校、斯德哥尔摩大学和麻省理工学院的研究小组预测的状态非常相似。
在接下来的研究中，傅、盛和他们的同事计划继续研究他们预测的物质状态，并希望揭示莫尔超晶格中的其他奇异状态。根据他们的研究结果，他们预测分数莫尔带填充的整数陈绝缘体晶体在莫尔超晶格的现象学中发挥重要作用。
论文共同作者艾丹·雷迪 (Aidan Reddy) 表示：“在我们开展研究之前，人们已经在有限磁场下观察到了这种状态，并且此后在几个基于石墨烯的莫尔条纹系统中，在零场下也观察到了这种状态。”
“这种现象学提出了许多理论问题。例如，我们应该如何看待这些状态与分数陈绝缘体之间的能量竞争？我们应该如何理解晶体的填充因子和陈数与底层莫尔带的陈数之间的关系？
“我们很高兴能继续思考这些问题。”