理论物理学家揭示材料扭曲层如何产生神秘的电子路径偏转效应

2018年，材料科学领域的一项发现震惊了整个科学界。宾夕法尼亚大学的RiteshAgarwal表示，一个研究小组发现，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。

这激发了“旋转电子学”领域的研究，揭示了旋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·梅尔(EugeneMele)及其合作者将双旋电子学带入了新的领域。

在《自然》杂志发表的一项研究中，他们研究了螺旋堆叠的二硫化钨(WS2)晶体，发现通过扭曲这些层，光可用于操纵电子。结果类似于科里奥利力，它使旋转框架中物体的路径弯曲，就像地球上的风和洋流一样。

“我们发现，只需扭转材料，我们就能控制电子的移动方式，”工程与应用科学学院SrinivasaRamanujan杰出学者Agarwal说道。当团队将圆偏振光照射到WS2螺旋上时，这种现象尤为明显，电子会根据材料内部的扭转向不同的方向偏转。

该团队的最新发现可以追溯到COVID-19大流行封锁初期，当时实验室关闭，第一作者Zhurun(Judy)Ji正在完成她的博士学位。

由于无法在太空进行物理实验，她将注意力转向更理论化的工作，并与文理学院的ChristopherH.Browne杰出物理学教授Mele合作。

他们共同开发了扭曲环境中电子行为的理论模型，该模型基于这样的推测：连续扭曲的晶格会创造一个奇怪而复杂的景观，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联想到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年的到来和疫情限制的解除，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培育具有连续螺旋扭曲的晶体。阿加瓦尔意识到金的螺旋扭曲WS2晶体是测试季和梅勒理论的完美材料，于是安排金送来一批。实验结果很有趣。

梅勒说，这种效应反映了科里奥利力，这种现象通常与旋转系统中出现的神秘侧向偏转有关。从数学上讲，这种力与磁偏转非常相似，解释了为什么电子即使在没有磁场的情况下也会表现得像有磁场一样。这一见解至关重要，因为它将晶体的扭曲与圆偏振光的相互作用联系在一起。

Agarwal和Mele将电子响应与经典的霍尔效应进行了比较，霍尔效应中，电流通过导体时，会因磁场而向侧面偏转。不过，霍尔效应是由磁场驱动的，而Mele表示，“扭转结构和类似科里奥利力的力引导着电子。”

“这一发现不仅仅在于找到这种力量;还在于了解它何时出现、为何出现，更重要的是，它什么时候不应该出现。”

梅勒补充道，最大的挑战之一是，一旦他们意识到这种科里奥利偏转可能发生在扭曲的晶体中，他们就会觉得这个想法太有效了。这种效应在理论上出现得如此自然，以至于即使在它不应该存在的场景中也很难关闭它。他们花了近一年的时间才确定了可以观察到或抑制这种现象的确切条件。

Agarwal将电子在这些材料中的行为比作“在水上乐园滑滑梯。如果电子滑下直滑梯，就像传统材料晶格一样，一切都会很顺利。但是，如果你把它滑下螺旋滑梯，那将是完全不同的体验。电子会感觉到被推向不同方向的力，并从另一端出来时会发生变化，有点像有点‘头晕’。”

这种“眩晕感”让团队特别兴奋，因为它引入了对电子运动的新控制程度，而这完全是通过材料的几何扭曲实现的。此外，这项研究还揭示了强烈的光学非线性，这意味着材料对光的响应被大大放大了。

“在典型的材料中，光学非线性很弱，”Agarwal说，“但在我们的扭曲系统中，它非常强，这表明它在光子设备和传感器中具有潜在的应用。”

这项研究的另一个方面是莫尔条纹，这是由于层间轻微的角度错位造成的，而这种错位对效果起着重要作用。在这个系统中，由扭曲产生的莫尔条纹长度尺度与光的波长相当，这使得光能够与材料的结构产生强烈的相互作用。

“光和莫尔条纹之间的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过的复杂波函数和行为。这一结果与“高阶量子几何量”的概念有关，如贝里曲率多极子，这些概念为了解材料的量子态和行为提供了线索。

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

最后，研究发现，通过稍微调整WS2螺旋的厚度和手性，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有力工具。

“我们在操纵材料中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的相互作用提供了一种新的方式，我们正在迈向一个全新的领域。这个系统还能揭示什么呢?”