浙江钱塘高等研究院的研究人员联合来自德国马克斯普朗克研究所等国内外合作单位的研究团队，提出了一种通用且在实验上可行的新策略去实现正方格点莫尔超晶格材料。研究表明，只需将具有矩形晶胞的二维半导体材料以90度角进行旋转堆叠，即可自然形成具有正方形对称性的莫尔超晶格，并产生平坦且孤立的电子能带。

这一设计方案为构建可调控的正方格点 Hubbard 模型提供了全新路径。正方格点Hubbard 模型是理解磁性和高温超导等强关联量子现象的核心理论框架。该方法适用于多类二维材料体系，并为研究强关联电子相提供了一个相对简单和可通过栅极调控的物理平台。

迄今为止，莫尔材料的研究主要集中在三角晶格和蜂窝晶格体系中，这在很大程度上源于天然具有方形晶格的半导体二维材料极为稀缺。本研究通过一种巧妙而简洁的思路绕开了这一限制：利用在二维材料中更为常见的矩形晶格结构。研究人员提出，将如 GeX 和 SnX 单硫族化合物等矩形晶格二维材料进行堆叠，并将其中一层旋转90度，即可构建理想的正方格点莫尔超晶格。

这种旋转方式在二维材料两个面内正交方向上都引入了晶格失配。当二维材料面内两组晶格常数存在微小差异时，会形成大尺度的莫尔调制，形成正方格点莫尔超晶格条纹。通过对扭转的 GeS、GeSe、SnS 以及其多层结构进行大尺度第一性原理计算，研究团队发现，层间堆叠构型的空间变化会在导带边缘产生窄而孤立的平坦能带。这些平带的电子态可以用一个包含最近邻跃迁和次近邻跃迁参数的有效正方格点 Hubbard 模型来刻画，这个模型为体系的低能物理行为提供了一个简洁而准确的理论描述。

由于能带带宽极小，电子—电子相互作用在该体系中占据主导地位。基于第一性原理计算得到的相互作用参数表明，当这些平带处于半填充状态时，体系可形成具有 Néel 型反铁磁序的莫特绝缘体。此时的磁矩并非局域在单个原子上，而是分布在具有莫尔尺度的瓦尼尔轨道之中。该平台还展现出卓越的可调控性：通过材料选择和层数调节可控制体系中的阻挫效应，而外加电位移场则可连续调节能带的各向异性。这些自由度使得研究人员能够系统性地探索反铁磁序、条纹相、赝能隙行为以及潜在的非常规超导态。

马克斯·普朗克结构与动力学研究所所长、共同作者 Angel Rubio 教授评价到：

“令人惊讶的是，这一想法竟然如此简单而有效。只需将两层矩形晶格二维材料旋转90度堆叠，一个简单的正方格点超晶格就会自动形成。当发现这一机制的普适性时，我们立刻意识到它可能为莫尔材料的研究开辟一条全新的方向。”

共同作者、浙江钱塘高等研究院的冼乐德教授则强调了该工作的广泛意义：

“我们希望这项工作能够鼓励研究者将视野拓展到更丰富的二维材料体系。矩形晶格二维材料相对更常见，而通过简单的90度旋转堆叠，它们便可成为研究正方格点强关联电子物理的强大平台。”

本研究由浙江钱塘高等研究院的冼乐德副教授牵头完成，并与四川师范大学、松山湖材料实验室、德国马克斯·普朗克结构与动力学研究所、德国亚琛工业大学以及美国宾夕法尼亚大学的研究人员合作开展。相关研究成果已于2025年12月15日发表在《Physical Review X》期刊上 (https://doi.org/10.1103/wcbz-lbr1)。

利用90度转角双层矩形二维材料实现正方格点Hubbard模型示意图