当材料量子化，电子减慢并形成晶体

二硒化钨和二硫化钨之间形成的莫尔超晶格示意图，每个摩尔纹晶胞填充一个电荷载流子。来源：劳伦斯伯克利国家实验室

当您堆叠两个稍微错位的窗纱时，您可以看到的移动、闪烁图案称为摩尔纹。当科学家堆叠具有不匹配原子间距的二维晶体时，也会发生类似的干涉效应。莫尔超晶格显示出构成图案的层中不存在的奇特物理特性。这些特性植根于电子的量子性质。

研究人员在由二硒化钨/二硫化钨（WSe2/WS2).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”并形成有序阵列。

莫尔超晶格被证明是调整电子之间相互作用的最佳游乐场。这些相互作用越强，固体材料的量子力学性质就越突出。这允许形成像非常规超导性这样的奇异物质状态。

研究人员使用激光来“观察”电子运动，而不会出现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，这是以前从未在莫尔超晶格中观察到的。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鲁棒量子比特。

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看到的原子周期性，从而改变了能带。摩尔纹效应会导致“平坦”带，其中能级被挤压在一起，导致电子降低其动能，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。当每个摩尔纹晶胞只注入一个载流子时，预计电子可以自由移动并因此导电。相反，样品变得绝缘。这一结果说明了莫特绝缘体状态，其中电子相互作用如此强烈，以至于它们避免在同一单元中。如果每个细胞都被占用，那么电子就会停止移动。

当注入的电子更少，以至于只有一半或三分之一的细胞被占据时，真正的惊喜出现了。在这些低密度下，科学家们预计电子会更少地感觉到它们的存在并具有高迁移率。然而，样品变成了绝缘体。在 WSe 中2/WS2，电子相互作用如此强烈，以至于它们甚至避免坐在相邻的地点。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，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比电荷激发持续的时间长几个数量级。这为未来研究奇异自旋态（如量子自旋流动性）打开了大门。

相关研究此前于2020年发表在《自然》杂志上。

更多信息：Emma C. Regan等人，Warts和WSe2 / WS2莫尔超晶格中的广义维格纳晶体态，自然（2020）。DOI： 10.1038/s41586-020-2092-4

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