突破性發現：科學家找到操控電子的新方法

瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）的研究團隊最近開發出一項創新技術，能更精確地研究電子在材料中的互動行為。他們利用一種稱為「莫爾材料」（moiré material）的特殊結構，透過扭曲超薄原子層，在附近的半導體中生成人工晶格，從而更深入地觀察電子的運動規律。

長期以來，物理學家們一直致力於研究電子在材料中的互動，因為這些互動驅動瞭如超導性等重要現象。然而，在大多數材料中，電子間的互動非常微弱，難以直接觀察。為瞭解決這個問題，科學家通常會透過人工方式創造一個具有大晶格常數的晶格，從而降低電子的運動能量。這樣一來，雖然互動能量仍然很小，但相對變得更加顯著，使得互動效應更容易被檢測到。

傳統上，研究人員會使用莫爾材料來達成這一目的。莫爾材料是由兩層原子厚度的材料堆疊並略微扭曲而成，形成一種超晶格，能夠影響電子的行為。然而，莫爾材料也會改變其他物理特性，使得研究電子互動變得更加複雜。

由蘇黎世聯邦理工學院量子電子研究所的Ataç Imamoğlu領導的研究團隊，開發了一種新方法來克服這一挑戰。他們不再直接研究莫爾材料中的電子，而是利用這些材料在遠處生成一個空間週期性的電場，僅影響另一個半導體層中的電子。這項技術最近發表在《物理評論X》（Physical Review X）期刊上，為研究不同材料中的電子互動開闢了新的可能性。

莫爾材料的製作過程包括將兩層僅有一個原子厚度的材料分別剝離，略微扭曲後重新堆疊。由於兩層的晶格不再完全對齊，會產生一種類似「拍頻」的效應，就像兩個頻率略有不同的聲波會導致音量緩慢週期性變化一樣。在扭曲的晶格中，會形成一個具有更大晶格常數的超晶格，電子可以在其中移動。

「在我們的新方法中，我們同樣製作了莫爾材料，但使用方式完全不同，」Imamoğlu研究團隊的博士生Natasha Kiper解釋道。她和同事使用兩層六方氮化硼（一種人工合成的固體，硬度接近鑽石），並將其相互扭曲不到2度。這種扭曲產生了一個週期性的電場，能夠在材料之外的距離上發揮作用。研究人員在扭曲的氮化硼下方放置了一層半導體二硒化鉬，電場作用於二硒化鉬中的電子，從而形成了一個人造晶格。

「這項技術的優勢在於，電場僅作用於二硒化鉬中的電子，而不影響中性的激子，」Kiper補充道。研究人員需要這些激子來研究電子。激子是當材料中的電子被特定頻率的光激發時產生的。電子躍遷到更高能級，並在低能級留下一個稱為「空穴」的缺陷。帶負電的電子和帶正電的空穴相互吸引，形成電中性的激子。

透過激子被激發的光頻率，研究人員能夠推斷出電子的行為。他們透過施加電壓來改變半導體中的電子數量，並從激子的激發頻率中觀察到，當三分之二或三分之一的晶格位置被電子填滿時，電子會以規則的排列方式分佈。當電子數量進一步增加，使得一個晶格位置被多個電子佔據時，電子間的互動會導致其狀態發生明顯變化。

「我們的新方法之所以令人興奮，是因為它具有高度可控性，並且原則上可以應用於許多其他材料，」Imamoğlu表示。透過新增更多材料層，可以改變電場的強度。此外，未來還可能研究電子在兩層之間移動的過程。

除了電子的自旋（指示電子「指南針」的方向），電子還會根據其所處的層獲得一個「偽自旋」，指向「上」或「下」。Imamoğlu進一步解釋：「我們可以利用這一點來研究一些奇特的物理過程，例如所謂的手性自旋液體，這些現象至今尚未在實驗中觀察到。」

這項研究為理解電子互動提供了新的工具，並可能為未來開發新型超導體和其他量子材料鋪平道路。