「莫尔物理新范式」普林斯顿马普所合作Nature论文：SnSe₂/ZrS₂扭曲双层实现M点能谷调控与拓扑新效应
导语
如果把两层石墨烯像“转咖啡杯”般轻轻一扭，就能创造出超导材料——这项曾获诺奖的“魔角石墨烯”技术，如今被中国科学家参与的国际团队赋予了更强大的生命力。他们不再执着于传统材料，而是将两层硒化锡（SnSe₂）像搭积木般旋转3.89°，竟在微观世界建起一座拥有“三座量子峡谷”和“光速单行道”的电子之城！这项发表于《Nature》的研究，可能成为打开高温超导与量子计算的下一把钥匙...
核心突破
研究首次提出“M点莫尔材料” 新范式，颠覆了传统莫尔材料局限于Γ点或K点的设计思路。通过堆叠三角晶格单层材料SnSe₂与ZrS₂并施加微小扭转角（3.89°–13.17°），发现：
1. 三谷物理新效应：布里渊区M点产生三个受时间反演保护的电子谷，通过C₃z旋转对称性耦合；
2. 突破性对称性：在非磁性体系中首次实现动量空间非共形对称性（无需外加千特斯拉磁场）；
3. 奇异能带结构：形成Kagome点阵结构的平带，为强关联物理提供理想平台；
4. 准一维特性：受非共形镜面对称性约束，单粒子能带呈现类一维行为，有望模拟鲁廷格液体。
科学意义
量子模拟新工具：M点魔角材料为模拟高温超导、量子磁性等复杂现象提供了可调控的实验平台，可能推动拓扑量子计算和新型电子器件发展。
基础物理探索：动量空间非对称性对称性的发现挑战了传统晶体学分类，拓展了对对称性保护拓扑态的理解。
材料设计范式：研究指出了更多潜在材料（如1T-ZrSe₂、GaTe等），为二维材料家族开辟了新分支。
未来展望：下一步，团队计划通过实验制备这些材料，并探索其在强磁场、电场调控下的行为，进一步验证Luttinger液体和量子自旋液体的存在。
正如论文通讯作者Bernevig所述：“M点如同莫尔宇宙的暗物质，我们刚刚瞥见它的冰山一角。”
图1：动量空间的“量子乐高”
动量空间的Q点阵：针对扭曲三角晶格单层材料
a-c 这三幅图分别对应了低能自由度位于布里渊区Γ点(a)、K点(b)和 M点(c)的情形。在每个图中，子晶格（sublattices）根据上方图例的颜色进行标注。灰色的六边形表示莫尔布里渊区（moiré BZ），而黑色的箭头则标示了莫尔倒易矢量bM1,bM2以及辅助矢量q'1,2,3和q0,1,2。
图2：材料基因图谱
用于M点莫尔材料的可剥离单层
a-b 1T-SnSe₂和1T-ZrS₂的晶体结构侧视图(a)和俯视图(b)。
c-d 分别为SnSe₂和ZrS₂基于第一性原理计算的能带结构。最低的自旋极化导带（其能带最小值位于M点处）用红色高亮标出，而贡献低能态的万尼尔轨道 (Wannier orbitals) 则在插图中显示。黄色（蓝色）对应轨道的正（负）符号。
图3：平带诞生实录
M点莫尔材料SnSe₂和ZrS₂的第一性原理计算结果
a-d 在公度角θ= 3.89°下，AA堆叠（a,c）和AB堆叠（b,d）的扭曲SnSe₂和ZrS₂的能带结构。图中同时展示了基于第一性原理计算（ab initio）和能谷分辨连续模型（valley-resolved continuum model）的能带结构。
e-h 对应于η=0能谷中第一组和第二组自旋极化能带的层分辨电荷密度分布（layer-resolved CDD）。虚线六边形标示了维格纳-塞茨原胞（Wigner-Seitz unit cell）。
图4：理论模型的“上帝公式”
解析连续的M点莫尔模型
a 单层与莫尔布里渊区（BZs）之间的关系，其中彩色六边形和灰色六边形分别代表各自的布里渊区。
b η=0能谷中Q点阵的生成，展示了莫尔势能矩阵TQ,Q'的跃迁项（hopping terms）。
c AA堆叠SnSe₂在θ=3.89°时的简化莫尔模型的能带结构。其颜色方案与图3保持一致。
图5：量子世界的“空间折叠术”
动量空间非公度对称性。
a 实现±Mz对称性的含磁通梯子紧束缚模型。费米子算符和跃迁振幅在每个格点（黑点）上方标出。
b 色散关系。
c AA堆叠SnSe2在转角θ=3.89°时，第一莫尔布里渊区内第一能带的能量色散。
d 在谷η=0的M点莫尔系统中，相应原子能带准一维特性的示意图。每个万尼尔轨道（点）根据其±Mz本征值着色。灰色矩形代表每个±Mz对称性扇区的矩形元胞。
第一性原理晶格弛豫结果：扭转AA堆叠SnSe₂与ZrS₂在θ=3.89°下的结构优化
扭转AA堆叠SnSe₂与ZrS₂双层结构在13.17°≥θ≥5.09°转角范围内的第一性原理能带结构
用于构建高保真度连续介质模型的工作流程
M点莫尔SnSe₂与ZrS₂体系的小角度能带结构
结语:
从石墨烯魔角到M点三重谷，莫尔超晶格正成为人类操控量子世界的“乐高积木”。随着SnSe₂/ZrS₂等材料进入实验室，一个比高温超导更复杂、比拓扑绝缘体更奇异的量子新大陆已浮现地平线。
自然界最深邃的奥秘， 往往藏在最冷僻的角落。
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09187-5
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