Professor Geng Wentong published the latest research results in "Matter": Atomic displacement vorticity is the main origin of the Moiré potential of WSe2/MoSe2 spin bilayer materials
2018年来自MIT的研究人员在“魔角”扭曲双层石墨烯中发现了超导电性和相关绝缘状态，利用各种二维范德瓦耳斯(van der Waals)材料构造莫尔超晶格并研究其中的新奇量子物态成为了凝聚态物理研究的热点和前沿问题。当两个具有晶格失配或相对扭转的二维单层体系堆叠在一起时，不均匀的层间耦合使得层内的原子排列呈现周期性变化，从而形成一种新型面内超晶格，称之为莫尔超晶格。通过改变两个相邻原子层之间的扭转角，可以调控二维垂直异质结构的电子、热、机械、光学和光电特性，从而实现如超导性、向列性和磁性等非常规物理现象。迄今为止，基于半导体莫尔超晶格的旋角电子学(Twistronics)是凝聚态物理发展最快的领域之一，如通过扭曲石墨烯层形成的莫尔超晶格和通过扭曲过渡金属二硫化物(TMD)原子层形成的莫尔超晶格，在此类材料中发现引包括莫尔声子、莫尔激子、拓扑相变、非常规超导、莫特绝缘等，并随之产生了许多有趣的问题，为研究强关联物理提供了一个全新的平台。调控层间相互作用的摩尔电势产生了新的凝聚态物理学，对其起源于晶格变形的理解在摩尔器件工程中是非常必要的。
近日，来自海南大学材料科学与工程学院耿文通教授与日本国家材料科学研究所林建波博士、大野隆央教授、奈良纯教授、西安理工大学王伟副教授、北京科技大学顾强教授和中国科学院力学研究所彭庆研究员合作，采用第一原理计算研究了晶格高度匹配的WSe2/MoSe2旋角双层材料中的莫尔势(Moire´potentials)与层间范德瓦尔斯相互作用所引起的原子位移之间(atomic displacement)的内在变化关系。在旋转超晶格中由非均匀层间耦合所导致的莫尔势，可引起激子、三激子和许多其他奇异的电子和光学特性，然而其起源仍存有争议。研究者普遍认为由于应变所引入晶格畸变(lattice deformation)以一种复杂的方式产生莫尔势。耿文通教授团队与合作者利用第一原理计算系统研究了扭转角在2.5°至10°范围内的WSe2/MoSe2旋角双层体系，计算结果表明揭示晶格应变的确对莫尔势大小起至关重要的作用，但正应变分量贡献很小，切应变分量与莫尔势也没有直接关系。作者联想到凝聚态物质的变形张量包括作为对称部分的应变张量和作为反对称部分的涡度张量。与流体不同，在固体中，外部应力通常不能产生涡度张量。但是，在有旋角的范德瓦尔斯双层中，摩尔纹导致了涡度张量的出现的出现。研究发现，原子位移涡度(vorticity of atomic displacements)，即局部晶格旋转是决定莫尔势大小的关键因素。这一发现为理解旋转超晶格中的莫尔势产生机理提供了新的启示，这一发现也将对可调旋转电子学工程具有指导意义。
(a) 旋转角为2.65°的WSe2/MoSe2 双层异质结。其中莫尔电势的大小由不同的颜色所代表。沿莫尔单胞对角线方向的 (b) 晶格起伏变化图，(c) 正应变分布图，(d) 切应变分布图，和 (e) 原子位移涡量分布图(逆时针旋转定义为正)。
论文以“Displacement Vorticity as Origin of Moiré Potentials in Twisted WSe2/MoSe2 Bilayers”为题，于近日发表在《Matter》上，该研究得到了国家自然科学基金面上项目(No.62174136)的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.11.014
