Группа учёных из Принстонского университета, Института химической физики твёрдых тел Макса Планка и других организаций разработала новый способ получения муаровых материалов с необычными характеристиками. Муаровые структуры, образовывающиеся при наложении двухслойных кристаллов под небольшим углом поворота, уже считаются «программируемыми» квантовыми симуляторами. До настоящего времени исследования проводились в основном с электронными состояниями возле Γ- или K-точек зоны Бриллюэна — точками кристаллической решётки. Новое исследование открывает возможности для изучения ранее неиспользуемой M-точки.
Этот сдвиг фокуса принципиально меняет правила игры. 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. Авторы с помощью компьютерных расчётов определили два материала: 1T-SnSe как идеальные кандидаты для экспериментальной проверки своей теории. 2 (диселенид олова) и 1T-ZrS2 Дисульфиды циркония обладают ключевым преимуществом: низкоэнергетические состояния по природе располагаются именно в M-точках.
Моделирование продемонстрировало, что скручивание двух слоёв данных материалов под конкретными углами вызывает появление плоских зон в электронной структуре. В этих зонах кинетическая энергия электронов практически отсутствует, что способствует усилению межэлектронных взаимодействий. Такая среда представляет собой идеальную площадку для исследования сильно коррелированных систем — одного из наиболее сложных и перспективных направлений современной физики.
Самое важное открытие исследования — выявление скрытой симметрии в этих системах, называемой «несимморфной симметрией в пространстве импульсов». Это сложный тип симметрии, который не сводится к комбинации поворотов и сдвигов в реальном пространстве. Авторы утверждают, что предложенные материалы представляют собой первый экспериментально реализуемый пример такой симметрии в немагнитной системе, что ставит строгие и необычные ограничения на поведение электронов.
Эти уникальные характеристики позволяют симулировать сложнейшие квантовые явления. Наличие трёх долин и шести спиновых состояний даёт возможность исследовать переход из проводника в изолятор из-за сильного отталкивания электронов. Несимметричная симметрия создает условия для реализации и изучения экзотической материи, называемой жидкостью Латтинжера, свойства которой кардинально отличаются от поведения электронов в обычных металлах.
Выводы исследователей базируются на детальных расчётах, поскольку упрощённые теоретические модели предоставляли неточные прогнозы: к примеру, предсказывали безщелевой спектр, в то время как расчёты обнаружили энергетическую щель.
Эта работа открывает новое направление в физике конденсированного состояния. Дальнейшие исследования могут быть посвящены коллективным явлениям, например, спонтанному нарушению симметрии, появлению полосовых структур и реализации квантовых спиновых жидкостей. Предложенный «третий путь» является началом поиска новой физики в муаровых материалах.