近日，宾夕法尼亚大学的研究团队发表了一项创新研究，宣布他们成功研发出一种基于三维螺旋晶格的“光学扭曲霍尔效应”。这种新型材料展示了独特的光-物质相互作用及霍尔效应的增强，尤其是在光子动量的作用下展现出非线性光学响应。该工作以“Opto-twistronic Hall effect in a three-dimensional spiral lattice”为题，发表在《自然》杂志上。
在此次研究中，科学家们首次突破了扭曲电子学仅限于二维系统的局限，成功将其扩展至三维螺旋结构中。这一突破为光电领域的非线性材料设计提供了全新途径，开辟了未来量子材料及光学电子器件应用的新方向。
扭曲电子学（Twistronics）研究主要集中在超晶格调制对材料性质的影响，尤其在二维系统中展示了许多新型的相干态和量子现象。然而，大多数实验研究局限于少层的二维系统，原因在于手动堆叠这些材料的复杂性。该研究团队采用了一种自组装的三维螺旋超晶格，利用了多层二硫化钨（WS₂）的螺旋堆叠，成功解决了这一问题。
图1：3D螺旋超晶格示意图。
在三维扭曲螺旋晶格中，光与物质的相互作用呈现出全新的动力学特征。研究人员通过一系列实验，观察到了由结构手性与相干长度共同驱动的光学扭曲霍尔效应，并通过非交换几何学模型解释了这一现象。这一成果验证了量子几何学的贡献，展示了三维系统中光-物质耦合的巨大潜力。
研究中，科学家们使用了一种独特的非线性光学测量方法，对这些三维螺旋晶格进行了详细表征。为了更好地理解三维螺旋系统中的光学激发，研究团队不仅研究了样品的线性光谱，还进行了非线性光学霍尔测量。这种测量方法借助偏振激光束取代了传统霍尔效应中的磁场，更加敏感地捕捉到材料的对称性变化。实验结果显示，这种超扭曲的WS₂材料展现了前所未有的非线性光学响应，远超目前在二维材料中观测到的现象。
此外，研究团队通过改变样品厚度及螺旋堆叠角度，进一步验证了结构手性对光学响应的关键影响。研究表明，随着层数增加或堆叠角度的变化，霍尔电压的非线性响应也发生了显著变化。这些结果表明，螺旋堆叠的手性与厚度是影响材料光电性能的重要参数。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07949-1
