当材料变成量子时电子会减速并形成晶体

当您堆叠两个稍微错位的窗纱时，您可以看到的移动、闪烁的图案称为云纹。当科学家堆叠原子间距不匹配的二维晶体时，会发生类似的干涉效应。莫尔超晶格显示出奇异的物理特性，这些特性在构成图案的层中是不存在的。这些特性植根于电子的量子性质。

研究人员发现了由二硒化钨/二硫化钨(WSe2/WS2)制成的晶体中形成的莫尔超晶格的新特性。在这些二维晶体中，电子之间的相互作用变得如此强烈，以至于电子“冻结”并形成有序的阵列。

WSe2/WS2莫尔超晶格被证明是调节电子间相互作用的最佳场所。这些相互作用越强，固体材料的量子力学性质就越突出。这使得非常规超导性等奇异物质状态得以形成。

研究人员使用激光“观察”电子运动，而没有困扰其他测量技术的伪影。他们发现了一种罕见的物质量子态，以前从未在莫尔超晶格中观察到过。了解和控制电子的量子运动将使科学家能够构建未来的微电子设备和用于量子计算的强大量子比特。

在固体中，电子占据的能级形成能带。莫尔超晶格改变了电子所见的原子周期性，从而改变了能带。莫尔效应会导致“平坦”带，其中能级被挤压在一起，导致电子降低它们的动能，从而更强烈地感受到它们的相互排斥。

劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)的一组研究人员使用一种新颖的光学技术来观察电子运动，同时改变注入样品中的电子数量。当每个莫尔晶胞仅注入一个载流子时，预计电子会自由移动并因此导电。相反，样品变得绝缘。这个结果说明了莫特绝缘体状态，在这种状态下，电子相互作用如此强烈以至于它们避免在同一个单元中。如果每个细胞都被占据，那么电子就会停止移动。

真正令人惊讶的是，注入的电子较少，因此只有一半或三分之一的细胞被占据。在这些低密度下，科学家们预计电子感觉不到它们的存在并且具有高流动性。然而，样品变成了绝缘体。在WSe2/WS2中，电子相互作用如此强烈，以至于它们甚至避免坐在相邻的位置上。这种罕见的现象被称为维格纳电子晶体。

LBNL研究人员还证明，在WSe2/WS2中，具有适当偏振的光分别与自旋向上和自旋向下的电子相互作用，从而可以根据电子的自旋选择性地改变电子的能量。在这样做的过程中，他们观察到自旋激发持续的数量级比电荷激发长。这为未来研究奇异自旋状态(如量子自旋流动性)打开了大门。