还原论认为一切复杂的系统、事物与现象都可以理解为更为简单基础的各分部分之组合。还原论指导下的传统材料学将材料的研究设计方法总结为“元素组成－组织结构－宏观性能”这一经典的三角关系。这种基于元素周期表，以材料的元素组成与晶体结构为核心的研究方法推动了材料强度理论、固体物理、量子力学等领域的发展。但是这种基于还原论的传统材料研发方式受限于元素种类并且研发周期较长，为克服这些缺点，我们需要转变思路。

在很多情况下，大量基础粒子集合表现出的行为不能用少量粒子的行为解释，在粒子逐渐聚集的过程中，一些特殊结构的出现会引发量变到质变的过程，表现为宏观性能的突变。最近Abhay N. Pasupathy等人在三层扭转石墨烯结构（TTG）中的发现就是一个典型的例子：TTG中的moiré晶格在重构的过程中会形成一系列三角区域以及环绕着这些区域的特殊位点，这些人为设计的特殊结构对原子的周期性以及电子结构有显著影响，进而导致了TTG结构新奇的性能。这个例子中人为设计构造出的三角形区域以及特殊位点直接诱发了全新性能的结构，我们称之为结构功能基元。结构功能基元之间的不同的堆垛组合方式会产生相应的协同关联效应，进而造成性能的提升甚至诱发全新的性能，我们称之为结构功能基元的序构，在TTG结构中表现为三角区域的不同排列方式对应于不同的moiré晶格。除了二维材料体系，三维材料的研究设计过程中也随处可见结构功能基元序构的影子，例如范德瓦尔斯异质结的构建、波导材料的设计等等。

在各式各样的复杂材料体系中，我们不得不感叹“more is different”，而基于此，“元素组成－组织结构－宏观性能”的材料研发范式也就蜕变为了“结构功能基元－序构－跃升/全新的性能”这一范式。西安交通大学武海军教授与田纳西大学Pennycook教授从结构功能基元序构破缺局域对称性的角度切入，聚焦于电子关联材料体系，深入研究梳理了几类典型的高性能电子关联材料中结构功能基元的构筑方法、作用机理、潜在应用以及功能基元之间的序构。

• 内容简介

1. 电子关联材料的基本概念
2. 几类典型的功能基元序构的电子关联材料
   1. 磁性半导体材料
   2. 磁性存储材料
   3. 铁电薄膜材料
   4. 压电薄膜材料
   5. 热电材料
   6. 拓扑相变材料
3. 总结与展望

• 图文导读

1. 电子关联材料的基本概念

电子关联材料是量子材料的前身，随着相关学科领域的发展，如今电子关联材料已经不再局限于磁性材料等强电子关联材料体系。事实上，现代凝聚态物理以及功能材料研究的许多内容都能划分为电子关联材料。从宏观性能的角度，电子关联材料中的电子响应行为起到了桥梁的作用，将力、热、磁等效应关联起来。而从自由度的角度出发，电荷作为媒介直接或间接地使晶格、自旋、轨道等自由度耦合在一起，这便是各种功能材料“功能性”的起源，如下图所示。

功能材料中的自由度耦合及其应用

（2）几类典型的功能基元序构的电子关联材料

如上文所述，功能材料的功能性起源于各自由度的耦合，例如自旋与电荷耦合产生了磁性、极化电荷与晶格应变耦合引发了压电性、载流子与声子耦合引起了热电性等等。通过引入特定的结构功能基元可以改变材料的电子特性，例如能带结构、电/声输运性能等，进而影响到宏观性能，通过进一步调控功能基元之间的序构，材料的性能有望大幅提升甚至展现出全新的新奇特性，如下图所示。

几种典型电子关联材料的功能基元、功能基元序构、提升/全新的性能以及应用

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