理论物理学家揭示了材料的扭曲层如何产生神秘的电子路径偏转效应

2018年，材料科学的一项发现给整个社会带来了冲击。宾夕法尼亚大学的 Ritesh Agarwal 表示，一个研究小组表明，以精确的“魔角”堆叠两层石墨烯（从石墨中提取的蜂窝状碳层）可以将其变成超导体。

这引发了“扭转电子学”领域的发展，揭示了扭转层状材料可以释放非凡的材料特性。

基于这一概念，阿加瓦尔、宾夕法尼亚大学理论物理学家尤金·梅勒和合作者将扭转电子学带入了新领域。

在一项研究中发表在自然，他们研究了螺旋堆叠的二硫化钨（WS₂）晶体并发现，通过扭曲这些层，光可以用来操纵。结果类似于科里奥利力，它使旋转框架中物体的路径弯曲，就像风和洋流在地球上的行为一样。

“我们发现，通过简单地扭转材料，我们就可以控制电子的移动方式，”工程与应用科学学院斯里尼瓦萨·拉马努金杰出学者阿加瓦尔说。当团队用圆偏振光照射 WS 时，这种现象尤其明显₂螺旋，导致电子根据材料的内部扭曲向不同方向偏转。

该团队最新发现的起源可以追溯到 COVID-19 大流行封锁的早期，当时实验室被关闭，第一作者 Zhurun (Judy) Ji 正在完成她的博士学位。

无法进行在这个领域，她将注意力转向更多的理论工作，并与艺术与科学学院克里斯托弗·H·布朗杰出物理学教授梅勒合作。

他们共同开发了扭曲环境中电子行为的理论模型，基于这样的推测：连续扭曲的晶格将创造一个奇怪的、复杂的景观，电子可以在其中表现出新的量子行为。

“这些材料的结构让人想起DNA或螺旋楼梯。这意味着晶体中通常的周期性规则——原子以整齐、重复的模式排列——不再适用，”Ji说。

随着 2021 年的到来和大流行限制的解除，阿加瓦尔在一次科学会议上了解到，威斯康星大学麦迪逊分校的前同事宋金正在生长连续螺旋扭曲的晶体。认识到 Jin 螺旋式扭曲的 WS₂晶体是检验吉和梅勒理论的完美材料，阿加瓦尔安排金送来了一批。实验结果很有趣。

梅勒说，这种效应反映了科里奥利力，这种观察通常与旋转系统中神秘的侧向偏转有关。从数学上讲，这种力与磁偏转非常相似，这解释了为什么即使不存在磁场，电子也会表现得好像存在磁场一样。这一见解至关重要，因为它将晶体的扭曲和与圆偏振光的相互作用联系在一起。

阿加瓦尔和梅勒将电子响应与经典霍尔效应进行了比较，其中流过导体的电流被磁场横向偏转。但是，虽然霍尔效应是由，这里“扭曲结构和类科里奥利力正在引导电子，”梅勒说。

“这一发现不仅仅是为了找到这种力量；它是为了了解它何时以及为何出现，更重要的是，它何时不应该出现。”

梅勒补充道，主要挑战之一是，一旦他们认识到这种科里奥利偏转可能发生在扭曲晶体中，这个想法似乎效果太好了。这种效应在理论上表现得如此自然，以至于即使在它不应该存在的情况下也很难关闭。我们花了近一年的时间才确定了观察或抑制这种现象的确切条件。

阿加瓦尔将这些材料中电子的行为比作“在水上公园的滑梯上滑行。如果电子像传统材料晶格一样沿着笔直的滑梯滑下，一切都会很光滑。但是，如果你将它沿着螺旋滑梯滑下，这是一种完全不同的体验。电子感受到了向不同方向推动它的力量，并从另一端出来改变了，有点像有点‘头晕’。”

这种“头晕”对团队来说尤其令人兴奋，因为它引入了对电子运动的新程度的控制，而这完全是通过材料的几何扭曲来实现的。更重要的是，这项工作还揭示了很强的光学非线性，这意味着材料对光的响应被显着放大。

“在典型材料中，光学非线性很弱，”阿加瓦尔说，“但在我们的扭曲系统中，它非常强，这表明它在光子器件和传感器中的潜在应用。”

该研究的另一个方面是莫尔图案，这是层之间轻微角度未对准的结果，在效果中起着重要作用。在该系统中，由扭曲产生的莫尔长度尺度与光的波长相当，使得光能够与材料的结构发生强烈的相互作用。

“光和莫尔图案之间的这种相互作用增加了一层复杂性，增强了我们观察到的效果，”阿加瓦尔说，“这种耦合使得光能够如此有效地控制电子行为。”

当光与扭曲结构相互作用时，研究小组观察到了常规二维材料中未见的复杂波函数和行为。这一结果与“高阶量子几何量”的概念联系在一起，例如贝里曲率多极子，它提供了对材料量子态和行为的深入了解。

这些发现表明，扭曲从根本上改变了电子结构，创造了以传统材料无法做到的方式控制电子流的新途径。

最后，研究发现，通过稍微调整 WS 的厚度和旋向性₂螺旋，他们可以微调光学霍尔效应的强度。这种可调性表明这些扭曲结构可以成为设计具有高度可调特性的新型量子材料的强大工具。

“我们在如何操纵材料中的电子行为方面一直受到限制。我们在这里展示的是，通过控制扭曲，我们可以引入全新的特性，”阿加瓦尔说。

“我们实际上只是触及了可能性的表面。螺旋结构为光子和电子相互作用提供了一种新的方式，我们正在迈入全新的领域。这个系统还能揭示什么？”