Поворот атомарных слоёв создал новый класс квантовых материалов

Команда исследователей из Принстонского университета, Института химической физики твёрдых тел Макса Планка и других научных центров предложила новый «рецепт» создания муаровых материалов с уникальными свойствами. Муаровые структуры, возникающие при наложении двухслойных кристаллов с небольшим углом поворота, уже зарекомендовали себя как «программируемые» квантовые симуляторы. Однако до сих пор учёные работали в основном с электронными состояниями вблизи Γ- или K-точек в зоне Бриллюэна — своего рода «адресами» в кристаллической решётке. Новая работа открывает для исследований ранее игнорировавшуюся M-точку.

Этот сдвиг фокуса принципиально меняет правила. Вместо систем с одной или двумя «долинами» (группами электронных состояний), M-точечные материалы обладают тремя долинами, связанными тройной вращательной симметрией. В результате в импульсном пространстве формируется не привычная треугольная или сотовая структура, а решётка Кагоме, что напрямую ведёт к новой физике. В качестве идеальных кандидатов для экспериментальной проверки своей теории авторы с помощью компьютерных расчётов определили два материала: 1T-SnSe₂ (диселенид олова) и 1T-ZrS₂ (дисульфид циркония). Их ключевое преимущество в том, что их низкоэнергетические состояния от природы расположены именно в M-точках.

Моделирование показало, что при скручивании двух слоёв этих материалов под определёнными углами в их электронной структуре появляются так называемые плоские зоны. В таких зонах кинетическая энергия электронов практически подавлена, что выводит на первый план эффекты межэлектронного взаимодействия. Это создаёт идеальную платформу для изучения сильно коррелированных систем — одного из самых сложных и перспективных разделов современной физики.

Наиболее фундаментальный результат исследования — обнаружение в этих системах скрытой симметрии, известной как «несимморфная симметрия в пространстве импульсов». Это сложный тип симметрии, который не сводится к простому сочетанию поворотов и сдвигов в реальном пространстве. Согласно авторам, предложенные ими материалы являются первым экспериментально реализуемым примером такой симметрии в немагнитной системе, что накладывает строгие и необычные ограничения на поведение электронов.

Эти уникальные свойства открывают путь к симуляции сложнейших квантовых явлений. Во-первых, наличие трёх долин и шести спиновых состояний позволяет исследовать переход из проводника в изолятор из-за сильного отталкивания электронов. Во-вторых, несимморфная симметрия создаёт условия для реализации и изучения экзотической материи, известной как жидкость Латтинжера, чьи свойства кардинально отличаются от поведения электронов в обычных металлах.

Исследователи подчёркивают, что их выводы стали возможны только благодаря детальным расчётам, поскольку упрощённые теоретические модели давали неверные предсказания — например, предсказывали безщелевой спектр, тогда как расчёты показали наличие энергетической щели.

В перспективе эта работа открывает целое новое направление в физике конденсированного состояния. Следующими шагами могут стать исследования предсказанных коллективных явлений, таких как спонтанное нарушение симметрии, возникновение полосовых структур (stripe phases) и даже реализация квантовых спиновых жидкостей. Таким образом, предложенный «третий путь» является не конечной точкой, а отправной точкой для поиска новой физики в муаровых материалах.

 Источник: Nature