Pomeranchuk-like electronic localization above 100 K in twisted MoS
本研究报告了在近AA堆叠双层MoS的导带中发现的相关电子态，揭示了一个扭转角依赖的相图，其中类庞加莱效应（Pomeranchuk-like）的电子局域化现象在100 K以上依然持续存在，从而使其区别于石墨烯系统中的类似现象。
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在现代电子学的微观世界中，科学家们正在学习如何逐个原子地构建材料，像堆叠扑克牌一样堆叠薄层，从而创造出全新的电流流动规则。当两层这样的薄片相对于彼此轻微旋转时，它们会形成一种巨大的、重复的图案，称为莫尔超晶格（moiré superlattice）。这种图案为电子提供了一种新型的“景观”，将它们捕捉在狭窄的山谷中，使它们之间产生强烈的相互作用。通常情况下，当电子过于拥挤或温度过低时，它们会冻结成一种僵硬的绝缘态。然而，在少数特殊的材料中，加热它们实际上反而会让它们冻结得更紧。这种反直觉的行为——即热量增强了有序性而非破坏它——被称为庞切尔库克效应（Pomeranchuk effect），以几十年前首次预测该现象的物理学家命名。理解这一现象如何在固体材料中发生及其原因，可以为控制电力和信息开辟新途径，但寻找一种能在我们容易达到的温度下清晰展示这种效应的材料一直是一个重大挑战。
一支研究团队现在找到了一种在一种名为扭转二硫化钼（MoS2）的材料中观察这种奇特现象的方法。通过精确地堆叠两层这种半导体并以特定的角度进行扭转，他们创造了一个让电子表现出惊人行为的平台。科学家们关注的是“导带”（conduction band）——即电子在自由移动并携带电流时所经过的路径，而不是它们通常静止不动的“价带”（valence band）。虽然以往对类似材料的研究大多关注静止的电子，但该团队成功研究了运动中的电子，克服了一个重要的技术障碍：即如何在极低温度下建立稳定的电气连接而不损坏材料。他们通过使用一种特殊的结构设计，通过一个微小的窗口暴露材料，从而能够测量从接近绝对零度到室温范围内的电流流动。
研究人员测试了多个样本，每个样本的扭转角度略有不同，范围从大约 2.3 度到 3.5 度不等。他们发现，电子的行为会根据这个角度发生剧烈变化。在具有最小扭转角的样本中，电子形成了一种稳定的有序态，这种状态可以在高达 160 开尔文（远高于液氮沸点）的温度下生存。随着他们将扭转角增加到中间水平，这种稳定性便会崩溃，有序态只能在 20 到 30 开尔文左右的温度下生存。但最令人惊讶的发现来自于扭转角约为 3.5 度的最大扭转角样本。在这种特定的配置下，当研究人员加热材料时，电子并没有像预期那样开始更自由地移动。相反，热量反而让它们被固定在原地的程度更加牢固。这就是庞切尔库克式效应的特征：热能——通常会融化冰或熔化金属——竟然帮助将电子锁定在一种局域化的绝缘态中。
这种由热诱导的锁定作用在特定的密度下表现得尤为强烈，即每有一个重复的图案单元对应一个电子时。随着温度从接近绝对零度上升到约 50 开尔文，材料的电阻增加，这标志着电子正变得更加局域化。更令人瞩目的是，在每个单元有两个电子的密度下，尽管信号较弱，这种奇特的行为在 100 开尔文以上的温度下依然存在。研究人员还测试了这些电子对磁场的反应，以了解是什么将它们固定在原位。他们发现，该效应对磁场的方向高度敏感。当垂直于材料施加磁场时，电子会被固定得更紧；而当平行于表面施加磁场时，几乎没有任何影响。这与在扭转石墨烯中观察到的类似效应不同，在石墨烯中，电子对来自任何方向的磁场反应更为均衡。这种显著的差异表明，这些扭转二硫化钼中的电子不仅仅是以简单的自旋方式运动，它们很可能受到其层间位置以及与其原子结构相关的特定量子属性的复杂影响。
这项研究表明，这些电子的行为类似于一种重流体，其移动速度比普通电子慢得多，这暗示了一种被称为重费米液体（heavy Fermi liquid）的物质状态。研究人员提出，电子正在形成波动的局部磁矩，而热量有助于稳定这些波动，从而有效地捕捉了电子。这一发现意义重大，因为它表明扭转角不仅是一个可以调高或调低的交互强度旋钮，更是一个可以从根本上改变材料性质的工具。通过调节角度，科学家可以在稳健的高温有序态、脆弱的中间态以及这种热量强化有序的异常状态之间进行切换。由于这种效应可以在 100 开尔文以上的温度下被观察到，这使其成为未来研究极具前景的候选对象，为研究复杂的量子态如何产生并受控提供了新的窗口。
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