2026年4月23日——在材料科学领域，若能理解材料的“纹理”（即其内部结构模式的形成与演变规律），就能着手设计其性能表现。这正是南加州大学维特比工程学院化学工程与材料科学系助理教授李正鲁的研究核心。其团队近期发表于《美国国家科学院院刊》的论文《广义维格纳晶体中的莫尔激子》揭示：材料内部电子的自组织方式决定了其光学响应特性——且这种组织行为可被人工调控。

从微观纹理到宏观技术

“莫尔”（moire）这个纺织术语描述的是两种重复图案轻微错位时产生的大尺度干涉条纹，就像不同方向抚过天鹅绒会呈现不同光泽那样。在纳米材料科学中，当两个原子级薄层以锐角叠加时，同样会形成独立的闪烁波纹图案——这种被称为莫尔超晶格的新结构会改变电子运动方式，赋予材料非常规特性。

“只有当双层结构轻微失准时才会出现这种图案，”李正鲁解释道，“该图案会主动重塑电子行为，这正是莫尔材料的非凡之处。本研究首次揭示了图案如何使能带扁平化，从而减缓电子速度并增强相互作用。”

这项突破性成果为光技术材料设计提供了新思路：除改变化学成分外，通过调控电子自排列也能优化光学性能。长远来看，这将推动量子材料与光电器件的设计创新，涉及传感、能源转换及量子信息科学等领域。

预测复杂量子现象

作为南加大计算量子材料研究组负责人，李正鲁开发了基于多体量子力学的先进计算方法。“与传统独立粒子模型不同，该方法能解析电子间的相互影响，揭示孤立分析无法理解的关联效应。”其团队采用“第一性原理”计算——仅依据量子力学基本定律，无需可调参数实验——成功预测了超导性、超快能量转移等复杂现象。

研究难点在于“激发态”计算：当材料受光、热或电场驱动时，其吸光特性、能量传输及器件功能都取决于这种粒子集体行为状态。“这恰恰是计算量最庞大的环节，”李正鲁指出。

从晶体纹理到光学响应

在强关联的莫尔超晶格中，电子会自发排列成广义维格纳晶体——这种由电子自组织定义（而非原子排列决定）的结构引发关键问题：当光与这种系统相互作用时会发生什么？

“常规半导体中，光激发产生的电子-空穴对行为可通过能带结构理解，”李正鲁表示，“但通过大规模第一性原理计算，我们首次直接解析了这类激发的内部结构。”由于莫尔材料具有超大原子级图案和强多电子相互作用，其计算难度远超普通材料。

通过与劳伦斯伯克利国家实验室研究员Mauro Del Ben、加州大学伯克利分校物理系荣休教授Steven G. Louie等合作，团队发现电子与空穴始终保持强关联，如同“连体婴”般沿着维格纳晶体基底协同运动。这种激子态完全不同于常规半导体中的简单激发，而是反映了材料固有的强关联性与电荷序。

李正鲁团队将其命名为“维格纳晶态激子”——由电子预存维格纳晶序塑造的新型激子态。

光学设计新范式

该研究颠覆了传统认知：材料的光响应特性不仅取决于能带结构，更受电子自组织方式及激子强相互作用的双重调控。“这改变了材料设计范式，”李正鲁强调，“除成分调控外，我们还能通过设计电子结构（排列与相互作用）来定制光学行为。”

这项基础研究为预测强关联量子材料的光响应建立了新计算框架。尽管尚处理论阶段，但它为开发光学/量子特性可调的新型材料指明了方向。李正鲁实验室正在构建的预测模型，或许正孕育着量子纹理世界的未来图景。