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在纳米材料中，原子尺度界面处的声子研究困难重重。复旦大学研究人员针对扭曲二硒化钨 / 二硫化钨（WSe2/WS2）异质双层开展研究，发现了魔角集体振动等现象。这为热管理、电气工程等领域应用提供了新方向。
在材料科学的微观世界里，集体振动就像一把神秘的钥匙，掌控着材料的热、电、相转变和拓扑等诸多关键特性。随着材料尺寸不断缩小到纳米级别，界面相关的异质性变得愈发重要。然而，原子尺度界面处的声子行为却一直是个未解之谜。尽管精心设计的纳米材料和纳米组件组装的设备越来越普遍，但人们对纳米材料原子尺度界面处的声子，以及超晶格等异质界面处复杂的振动 - 材料相互作用，了解十分有限。
为了攻克这些难题，复旦大学的研究人员挺身而出。他们聚焦于由二硫化钨（WS2）和二硒化钨（WSe2）单层构成的魔角异质结构，展开了深入研究。最终，他们发现了魔角集体振动（moiré collective vibrations），这一成果意义非凡，为高效热管理、强关联电气工程以及新兴拓扑声子学等领域的探索提供了新的方向，相关论文发表在《Nature Communications》上。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是通过化学气相沉积（CVD）法生长WS2和WSe2单层晶体，并采用湿 - 干转移法制备异质结构；二是利用共聚焦显微拉曼系统（confocal micro - Raman system）结合多种光学元件进行拉曼测量，包括手性拉曼测量，同时使用二次谐波产生（SHG）测量确定两层之间的相对扭转角；三是借助密度泛函理论（DFT）计算WS2和WSe2单层的声子色散。
下面来详细看看研究结果：
- vdW 界面处的手性集体动力学（Chiral collective dynamics at vdW interface）：研究人员利用螺旋分辨拉曼散射光谱（helicity - resolved Raman scattering spectroscopy）测量了WSe2/WS2典型魔角异质结构中的界面集体动力学。通过分析拉曼光谱中不同偏振配置下的声子模式，依据对称性要求和角动量守恒定律，成功提取了 vdW 界面处声子的角动量，证实了圆偏振手性光子与手性声子的耦合，这一发现有助于深入了解声子手性以及魔角诱导的界面晶格动力学行为。
- 魔角可调的层间振动（Moiré - tunable interlayer vibrations）：通过改变 vdW 异质界面的相互扭转角，研究人员发现界面振动能量和层间耦合具有魔角可调性。层间呼吸模式频率随扭转角变化呈现出明显的周期性，在 0° 到 30° 之间蓝移，之后显著下降，这与计算得到的魔角周期相符，表明魔角可调的界面振动是由杂化电子态和魔角层间激子共同作用的结果，且杂化电子态是影响扭转角依赖的声子能量的主要因素。
- 魔角可调的层内振动（Moiré - tunable intralayer vibrations）：对扭转角依赖的层内振动进行详细分析后，发现WS2和WSe2的层内振动对扭转角的响应存在差异。WS2的E2g和A1g模式频率在小扭转角（尤其是低于 10°）时，随扭转角减小而发生红移，这主要是由于层间耦合导致的晶格弛豫，且WS2层的剪切变形势较大，使得面内应变主要集中在该层，进而影响了层内振动。
- 强耦合区域的魔角诱导混合声子（Moiré - induced hybrid phonons in strong coupling regime）：在 “魔角扭转角” 范围内，研究人员发现了一种新的层间呼吸模式分支（LBhyb），其具有 0.93 THz 的频率、3.8 meV 的能量、零角动量和 0.86 ps 的寿命。这种模式的出现是由于层间模式与被魔角空间周期性折叠到小布里渊区的面外声学（ZA）模式之间的声子混合。同时，在该区域WS2的E2g模式演变成双峰，这表明面内应变打破了六边形单元的三重旋转对称性，体现了晶格重构。
研究结论表明，研究人员通过实验证实了WS2/WSe2异质双层中存在由空间周期性驱动的、与魔角激子对应的魔角诱导机械集体激发。确定了太赫兹晶格振动模式的能级和角动量，明确了界面集体动力学可调性的魔角势起源，并对魔角范围内混合层间呼吸模式的出现进行了定量解释。这些成果为理解魔角集体动力学奠定了重要基础，有助于进一步实现设计的声子态以及由魔角周期性产生的声子凝聚体所构成的玻色 - 费米相互作用，为未来在高效热传导、高迁移率电子传输和奇异拓扑声子学等领域的应用提供了新的途径。
