《科学》重磅：实验首次直接揭示莫尔相子的存在

在过去十年中，二维材料的莫尔超晶格现象已成为凝聚态物理和材料科学领域的前沿课题。通过将两层二维材料以微小角度堆叠或扭曲，可以产生周期性巨大的莫尔图案，从而赋予材料全新的电子和光学性质。然而，对这些材料的原子级动力学，尤其是其低频热振动模式的直接观察，一直是一个巨大的挑战。近期发表于《科学》杂志的论文 “Atom-by-atom imaging of moiré phasons with electron ptychography”，首次通过实验直接揭示了莫尔超晶格中一种独特的集体振动模式——莫尔相子的存在，为理解和利用莫尔材料的性质提供了前所未有的见解。

莫尔超晶格与相子的理论背景

当两层二维材料（如二硒化钨，WSe₂）以一个微小的扭曲角重叠时，它们的晶格失配会产生一个长周期的莫尔超晶格。这种超晶格并非简单的图案叠加，而是一个复杂的能量景观，包含周期性的原子重叠区域（AA堆叠）和原子错位区域（AB/BA堆叠）。在这些莫尔超晶格中，存在一种被称为孤子的区域，它们是能量最低的畴壁，分隔着不同的堆叠区域。

理论预测，莫尔超晶格的晶格动力学非常独特。除了常见的声学和光学声子之外，还存在一种“超软”的低能振动模式，即莫尔相子。它们可以被视为孤子的集体运动或莫尔超晶格的局部平移和旋转。由于其极低的能量和独特的运动方式，莫尔相子被认为是影响莫尔材料热力学、电子和机械性质的关键因素。然而，由于其振幅微弱且空间尺度巨大，传统的实验技术，如拉曼光谱或X射线衍射，难以直接解析其原子级的运动细节。

电子叠层成像的突破

这篇论文的核心在于其创新的实验方法——电子叠层成像。这是一种先进的扫描透射电子显微镜（STEM）技术，它通过在样品上扫描一个聚焦的电子束，并在每个位置收集衍射图样。通过分析这些重叠的衍射图样，并利用复杂的计算重建算法，可以重构出样品的相位和振幅信息。与传统的STEM成像相比，电子叠层成像的优势在于它能够以极高的信噪比和分辨率（小于15皮米）来成像，并且对电子束引起的样品损伤更小。

研究人员利用这种技术，在室温下对扭曲的双层WSe₂样品进行了成像。通过采集大量的图像，并进行统计分析，他们能够精确地测量出每个原子的热振动振幅。原子振动振幅的大小反映了该位置原子的热运动剧烈程度。

莫尔相子的实验证据

实验结果令人信服地揭示了莫尔相子的存在。研究人员发现，原子热振动振幅在莫尔超晶格中是高度不均匀的。具体而言，振幅在孤子区域和AA堆叠区域显著增大，而在其他区域相对较小。这种空间分布模式与分子动力学模拟和晶格动力学计算的结果高度吻合，这两种理论计算都预测了莫尔相子振动模式在孤子和AA堆叠区域具有最大振幅。

此外，通过将实验数据与理论计算进行比较，研究团队能够将观察到的增强振动明确归因于莫尔相子的热激活。这不仅是莫尔相子首次被直接成像，也证明了电子叠层成像技术在原子级热振动研究中的强大潜力。

科学意义与未来展望

这项工作具有多重重要的科学意义。首先，它为莫尔超晶格中的晶格动力学研究开辟了新的领域。通过直接观察相子，科学家们可以更深入地理解这些低频振动如何影响莫尔材料的电子带隙、超导转变温度以及热输运性质。

其次，该研究提供了一个强大的实验工具，可以用于探索其他莫尔材料中类似或更复杂的动力学现象。例如，可以研究相子在不同温度下的行为，或者在不同应力下的响应，从而为设计具有特定热学或机械性质的新型材料提供实验依据。

最后，这项研究也为理解二维材料中的结构相变和非线性动力学提供了宝贵的线索。莫尔相子的集体运动可能在某些条件下引发结构重构或相变，而电子叠层成像技术为实时观察这些过程提供了可能。

总之，“Atom-by-atom imaging of moiré phasons with electron ptychography” 这篇论文是一项开创性的工作。它通过精巧的实验设计和先进的成像技术，将一个长期存在的理论概念转化为可观察的现实。这一突破不仅极大地加深了我们对莫尔超晶格物理的理解，也为未来在二维材料领域探索和开发新功能提供了坚实的实验基础。