近十年來，以石墨烯為代表的二維材料由於其獨特的結構和電子性質引起了人們的廣泛關註。到目前為止，人們通過實驗或理論計算等手段獲得了成百上千種二維材料體系。其主要方式是通過對應的三維狀材料剝離得到單層或者多層二維材料結構。另闢蹊徑，設計無三維母體材料對應的二維層狀材料將極大豐富二維材料家族，探索其中的新奇量子效應有重要科學意義和應用價值。

近期，我院陳明星教授課題組與中國科2沈陽金屬研究所陳星秋研究員課題組提出，通過原子插層的方式構造七原子單層體系MA₂Z₄。他們結合第一性原理電子結構計算、聲子計算和分子動力學模擬預測了72種穩定的MA₂Z₄單層結構。進一步研究表明，這一大類家族展現出拓撲絕緣體、二維鐵磁半導體、Ising超導體以及能谷等新奇的物態。該工作以“Intercalated architecture of MA₂Z₄ family layered van der Waals materials with emerging topological, magnetic and superconducting properties”為題，發表在《自然.通訊》[Nature Communications，12, 2361 (2021)]。金屬所博士生王磊為該文的第一作者，陳明星教授與陳星秋研究員為共同通訊作者。

課題組進一步深入探索如何利用界面調控錶面單層的電子態。其中Rashba效應為人們構築新型自旋電子學器件提供了物理基礎。當前的一個關鍵問題是如何使體系具有較大的Rashba自旋劈裂，方便人們對自旋進行操控。陳明星教授與美國猶他大學劉鋒教授合作，提出結合錶面有序摻雜和極性錶面增強單層中的Rashba自旋-軌道劈裂，並預言了兩類具有巨大Rashba劈裂的界面結構SbBi/Al₂O₃(0001)和PbBi/Al₂O₃(0001)。該工作以“Prediction of giant and ideal Rashba-type splitting in ordered alloy monolayers grown on a polar surface.”發表在《國家科學評論》[National Science Review 8, nwaa241 (2021)]，陳明星教授為第一作者兼通訊作者。

此外，課題組與我院楊凱科副教授、寶雞文理2張雲副教授以及湖南大學潘安練教授合作，研究了利用界面調控錶面單層中的電子能谷。他們針對一大類二維材料—過渡金屬硫族化合物（TMD）單層中的能帶在布里淵區邊界K及K’點處具有自旋-能谷鎖定的特性，提出利用二維鐵磁體（FM）構築TMD/FM界面結構，將能谷處的電子態與二維鐵磁體中的自旋極化態耦合。這種耦合只在其中一個能谷K或K’出現，並且可以實現能谷極化。通過電場可以調控兩者的能帶排列，可在能谷中打開一個能隙，不僅可以實現電控能谷極化的切換，還可以同時實現自旋和能谷的過濾及閥效應。該工作以“Electrically switchable valley polarization, spin/valley filter, and valve effects in transition-metal dichalcogenide monolayers interfaced with two-dimensional ferromagnetic semiconductors”為題作為Letter發表在《美國物理評論B》[Phys. Rev. B 104, L201403 (2021)]。我院物理學博士生張奧為第一作者，陳明星教授為通訊作者。

陳明星教授還與哥倫比亞大學物理系Pasupathy教授、Bosov教授、化學系教授Xiaoyang Zhu以及香港大學姚望教授合作研究了WSe₂/MoSe₂莫爾條紋中的莫爾勢對電子態的影響。該工作以“Deep moiré potentials in twisted transition metal dichalcogenide bilayers”為題發表於《自然.物理》[Nat. Phys. 17, 720 (2021)]，在該工作中陳明星教授貢獻DFT計算，解釋了相關實驗結果。

以上工作獲得了國家自然科學基金面上項目、國家自然科學基金區域創新發展聯合基金重點支持項目及國家自然科學基金重大研究計劃集成項目的資助。相關鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-22324-8

https://academic.oup.com/nsr/article/8/4/nwaa241/5911593

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.104.L201403