扭转二硫化钨晶体，研究人员即可控制电子运动并增强光学性能，为量子材料和光子应用开辟新的可能性。
2018年，材料科学领域的一项发现震惊了整个学界。宾夕法尼亚大学的里特什·阿加瓦尔说，一个研究团队发现，将两层石墨烯（从石墨中提取的蜂窝状碳层）以精确的“魔角”堆叠在一起，石墨烯就变成了超导体。这引发了“扭曲电子学”领域的研究热潮，表明扭转层状材料可以解锁非凡的材料性能。
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·梅勒及其合作者将扭曲电子学推向了新的领域。在《自然》杂志上发表的一项研究中，他们研究了螺旋堆叠的二硫化钨（WS₂）晶体，发现通过扭转这些层，光可以用来操纵电子。这一结果类似于科里奥利力，即在旋转坐标系中，科里奥利力会使物体的路径发生弯曲，就像地球上的风和洋流一样。
“我们发现，只需扭曲材料，即可控制电子的移动方式，”工程和应用科学学院杰出学者斯瑞尼瓦山·拉马努金 (Srinivasa Ramanujan) 阿加瓦尔 (Agarwal) 介绍道。当研究团队向 WS₂ 螺旋照射圆偏振光时，该现象尤为明显，电子会根据材料内部扭曲程度向不同方向偏转。
该团队最新发现的起源可追溯到新冠肺炎疫情爆发初期实施隔离的时候，当时实验室被关闭，论文第一作者祝润（Judy）姬正准备完成她的博士论文。
由于无法在太空中进行物理实验，她将研究重点转向更加理论化的工作，并与艺术与科学学院 (School of Arts & Sciences) 物理学杰出教授克里斯托弗·H·布朗 (Christopher H. Browne) 合作的梅勒 (Mele) 展开了合作。他们基于一种推测，即连续扭曲的晶格将产生奇异而复杂的形态，电子在其中可能会表现出新的量子行为，共同开发出了电子在扭曲环境中行为的理论模型。
季（Ji）说：“这些材料的结构让人想起DNA或螺旋楼梯。这意味着晶体中周期性的通常规则——原子以整齐且重复的模式排列——不再适用。”
实验性突破
2021年，随着疫情限制的解除，阿加瓦尔（Agarwal）在一次科学会议上了解到，他的前同事、威斯康星大学麦迪逊分校的金松（Song Jin，音译）正在培育连续螺旋扭曲的晶体。阿加瓦尔意识到，金培育的螺旋扭曲的二硫化钨（WS₂）晶体是检验季向东（Ji Dongxiang，音译）和梅勒（Mele）理论的理想材料，于是安排金寄送了一批晶体。实验结果非常有趣。
梅勒表示，该效应体现了科里奥利力，这一观察结果通常与旋转系统中出现的神秘侧向偏转相关。从数学角度来看，这种力与磁偏转非常相似，解释了为何电子在无磁场存在的情况下也会表现得如同存在磁场一般。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了一起。
阿加瓦尔和梅勒将电子响应与经典的霍尔效应进行了比较，在霍尔效应中，流过导体的电流会受到磁场的侧向偏转。但梅勒表示，虽然霍尔效应是由磁场驱动的，但在这里，“是扭曲结构和类科里奥利力在引导电子”。“这一发现不仅仅是发现了这种力；而且是了解了它何时以及为何会出现，更重要的是，了解了它何时不会出现。”
梅勒补充道，其中一项主要挑战是，一旦他们认识到这种科里奥利偏转可能发生在扭曲的晶体中，这个理论似乎就太过完美了。这种效应在理论中出现得非常自然，以至于即使在它本不该出现的场景中，也很难将其消除。他们花了将近一年的时间来确定可以观察到或抑制这种现象的确切条件。
阿加瓦尔（Agarwal）将这些材料中电子的行为比作“在水上乐园玩滑梯。如果电子沿着直线滑梯滑下，就像传统材料晶格一样，一切都会很顺利。但是，如果你让它沿着螺旋滑梯滑下，那就是完全不同的体验了。电子会感受到来自不同方向的力，并从另一端以不同的状态滑出，有点‘晕头转向’的感觉。”
这种“晕眩”效果令团队尤为兴奋，因为它能在电子运动控制方面实现新的突破，而这种突破完全是通过材料的几何扭曲实现的。此外，该研究还揭示出强烈的光学非线性，这意味着材料对光的响应被显著放大。
“在典型材料中，光学非线性较弱，”阿加瓦尔说，“但在我们的扭曲系统中，它表现得极为强烈，这表明它在光子器件和传感器中具有潜在的应用前景。”
莫尔条纹与量子行为
这项研究的另一个方面是莫尔条纹，莫尔条纹是层与层之间轻微角度错位的结果，在效应中起着重要作用。在这个系统中，扭转产生的莫尔条纹长度与光的波长相当，这使得光能够与材料的结构产生强烈的相互作用。
阿加瓦尔说：“光与莫尔条纹之间的这种相互作用增加了一层复杂性，增强了我们所观察到的效果，这种耦合使得光能够如此有效地控制电子行为。”
当光与扭曲结构发生相互作用时，研究团队观察到了在常规二维材料中未曾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，这些量为理解材料的量子态和行为提供了新视角。这些发现表明，扭曲从根本上改变了电子结构，为以传统材料无法实现的方式控制电子流开辟了新途径。
最后，该研究发现，通过略微调整WS₂螺旋的厚度和手性，可以微调光学霍尔效应的强度。这种可调性表明，这些扭曲结构可能是设计具有高度可调性的新型量子材料的有力工具。
“我们过去一直局限于以特定方式操控材料中的电子行为。而我们在这里所展示的是，通过控制扭曲度，我们能够引入全新的特性，”阿加瓦尔说道。“我们目前所做的只是探索可能性的冰山一角。由于螺旋结构为光子和电子的相互作用提供了一种新的方式，我们正在踏入一个全新的领域。该系统还能揭示什么？”
参考文献：《三维螺旋晶格中的光扭曲霍尔效应》，作者：季茱萸、赵宇洲、陈亦聪、朱紫焱、王煜晖、刘文静、高拉夫·莫迪、尤金·J·梅勒、金松、里特什·阿加瓦尔，发表于2024年9月18日《自然》杂志。DOI：10.1038/s41586-024-07949-1
本研究得到了美国空军（奖项编号：FA9550-20-1-0345）、美国国家科学基金会（基金编号：NSF-2323468、NSF-2323470、NSF-2230240、DMR-1720530、NNCI-1542153和NSF-QII-TAQS-#1936276）、能源部（基金编号：DE FG02 84ER45118）和海军研究办公室（基金编号：N00014-22-1-2378）的资助。
