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近十年来，以石墨烯为代表的二维材料由于其独特的结构和电子性质引起了人们的广泛关注。到目前为止，人们通过实验或理论计算等手段获得了成百上千种二维材料体系。其主要方式是通过对应的三维状材料剥离得到单层或者多层二维材料结构。另辟蹊径，设计无三维母体材料对应的二维层状材料将极大丰富二维材料家族，探索其中的新奇量子效应有重要科学意义和应用价值。
近期，我院陈明星教授课题组与中国科学院沈阳金属研究所陈星秋研究员课题组提出，通过原子插层的方式构造七原子单层体系MA2Z4。他们结合第一性原理电子结构计算、声子计算和分子动力学模拟预测了72种稳定的MA2Z4单层结构。进一步研究表明，这一大类家族展现出拓扑绝缘体、二维铁磁半导体、Ising超导体以及能谷等新奇的物态。该工作以“Intercalated architecture of MA2Z4 family layered van der Waals materials with emerging topological, magnetic and superconducting properties”为题，发表在《自然.通讯》[Nature Communications，12, 2361 (2021)]。金属所博士生王磊为该文的第一作者，陈明星教授与陈星秋研究员为共同通讯作者。
课题组进一步深入探索如何利用界面调控表面单层的电子态。其中Rashba效应为人们构筑新型自旋电子学器件提供了物理基础。当前的一个关键问题是如何使体系具有较大的Rashba自旋劈裂，方便人们对自旋进行操控。陈明星教授与美国犹他大学刘锋教授合作，提出结合表面有序掺杂和极性表面增强单层中的Rashba自旋-轨道劈裂，并预言了两类具有巨大Rashba劈裂的界面结构SbBi/Al2O3(0001)和PbBi/Al2O3(0001)。该工作以“Prediction of giant and ideal Rashba-type splitting in ordered alloy monolayers grown on a polar surface.”发表在《国家科学评论》[National Science Review 8, nwaa241 (2021)]，陈明星教授为第一作者兼通讯作者。
此外，课题组与我院杨凯科副教授、宝鸡文理学院张云副教授以及湖南大学潘安练教授合作，研究了利用界面调控表面单层中的电子能谷。他们针对一大类二维材料—过渡金属硫族化合物（TMD）单层中的能带在布里渊区边界K及K’点处具有自旋-能谷锁定的特性，提出利用二维铁磁体（FM）构筑TMD/FM界面结构，将能谷处的电子态与二维铁磁体中的自旋极化态耦合。这种耦合只在其中一个能谷K或K’出现，并且可以实现能谷极化。通过电场可以调控两者的能带排列，可在能谷中打开一个能隙，不仅可以实现电控能谷极化的切换，还可以同时实现自旋和能谷的过滤及阀效应。该工作以“Electrically switchable valley polarization, spin/valley filter, and valve effects in transition-metal dichalcogenide monolayers interfaced with two-dimensional ferromagnetic semiconductors”为题作为Letter发表在《美国物理评论B》[Phys. Rev. B 104, L201403 (2021)]。我院物理学博士生张奥为第一作者，陈明星教授为通讯作者。
陈明星教授还与哥伦比亚大学物理系Pasupathy教授、Bosov教授、化学系教授Xiaoyang Zhu以及香港大学姚望教授合作研究了WSe2/MoSe2莫尔条纹中的莫尔势对电子态的影响。该工作以“Deep moiré potentials in twisted transition metal dichalcogenide bilayers”为题发表于《自然.物理》[Nat. Phys. 17, 720 (2021)]，在该工作中陈明星教授贡献DFT计算，解释了相关实验结果。
以上工作获得了国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点支持项目及国家自然科学基金重大研究计划集成项目的资助。相关链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-22324-8