材料物理基础科学的研究推动电子与信息技术的飞速进步。人们通过利用微观世界中原子,分子和电子的基本属性,如电荷,自旋,轨道等自由度,设计新材料,并在此基础上开发新型电子器件。低维材料体系磁电耦合效应研究是当前的热点。通过引入单量子态,如缺陷态和杂质态,实现对材料体系的修饰,同时利用外加电场调控主体材料中单原子磁性,发现了种种奇异的磁电效应。目前,国内外对于单电子自旋调控的研究涉及不同维度的体系。对于低维体系单量子态的研究涉及到在二维体系中引入缺陷中心,做稀磁掺杂等,其中包含着以单个磁性杂质原子或单空位为研究对象的单电子自旋调控。通常认为无论实验和理论上,施加电场或应力场能够有效观测到磁电效应。对于低维材料而言,其特点是可操作的自由度明显高于体材料,尤其适合集成于自旋电子器件,实现外场对单量子态的调控。而近来,层间扭转作为一种操作自由度,可以很好地用于设计以任意方式的堆叠范德华结合的双层体系,这方面奇异现象和丰富的物理的出现拓宽了对磁电效应的研究。本文中将主要采用第一性原理计算的方法简单讨论我们在3d过渡金属做稀磁掺杂的单层体系Mo S2中发现的巨弯磁电效应（giant flexomagnetoelectric effect）。该体系的一大特点就是打破了通常晶格的短程平移对称性,形成了长周期。这样的例子我们之后应用到了层间扭转的双层体系研究上,同样采用理论计算的方法,预测对于层间反铁磁耦合的双层,其中的手性相关的扭转能够造成对外加电场奇特的介电响应行为。新奇现象的发现使得我们后续的研究深入到了模型分析,对于一个简单扭转的小角度“魔角”,并预设层间反铁磁耦合的体系,分析表明其具有拓扑磁电效应（topological magnetoelectric effect）。上述主要工作总结如下:·第一部分基于第一性原理计算,选择一个典型的稀磁掺杂单层体系作为研究平台,将晶格弯曲和磁性掺杂相结合。具体地,我们计算了磁性原子Mn替位单个Mo原子的单层Mo S2中在不同程度晶格弯曲下的磁响应。同时,验证了在施加竖直方向电场的情况下,诱导的自旋磁矩和磁晶各向异性能可以得到极大的放大。进一步的态密度计算和电荷密度分析表明,这种效应源于磁性单原子的3d轨道电子云分布在电场下的改变。物理上的进一步解释是,电场引起的轨道电子云极化,带来Mn-3d轨道波函数的空间分布变化,这对与弯曲晶格中紧邻的原子轨道杂化的变化极为敏感。因此,可通过外电场将相应的轨道能级调控到接近费米能级,实现自旋占据数的改变。该发现为柔性可穿戴设备的功能性二维材料设计开辟了一条新途径。·第二部分着眼于新兴的转角电子学领域,其中我们结合自旋电子学的研究方法,选择扭转的范德华双层薄膜体系作为研究对象,它为研究固体中的电子强关联提供了理想的平台。我们发现了在转角30°附近,体系对进一步的扭转极为敏感,产生了许多有趣的现象。在这项工作中,我们得到在层间相对左转和右转的情况下,引起的电子截然不同的介电行为。具体而言,在施加竖直方向电场下,左转右转分别表现出了出抑制和放大的介电响应。进一步分析表明,这种奇异的介电性质可以归因于扭转双层的依赖于堆叠方式的电荷密度分布,这可以通过自旋纹理来阐明。我们证明,小电场几乎不会改变赝自旋的图案分布。从而,对于右转情况,当施加电场时,几乎不产生超过单层厚度的电偶极矩。而对于左转的情况,体系甚至可以表现出负的电极化率,即,感应极化方向与所施加的电场方向相反,这在自然界中是非常罕见的。该发现不仅丰富了我们对莫尔条纹体系的理解,而且为光电储能器件的功能材料设计开辟了一条引人注目的途径。·第三部分是模型分析为主的一个章节,在这项工作中,我们注意到电子在固体中的运动,或者换句话说,由电子的集体运动形成的准粒子可以是分级的这样的量子现象。比如,谷电子在蜂巢晶格中以超轨道运动所形成的谷自旋或波包的自转。在此,我们指出层间扭转可以在莫尔超晶格内显示谷电子更高等级的运动行为,随之出现的高级准粒子我们称为超谷电子。该准粒子原则上可以具有宏观尺寸,因为莫尔超胞可能非常大,比如转角在“魔角”附近处。以第二部分工作中用到的反铁磁耦合双层为例,我们发现其形成了具有交错磁通分布的类Haldane超晶格。有趣的是,该体系能够满足进入一种拓扑非平凡相,随之成为量子自旋霍尔绝缘体。同时进一步注意到,超谷电子在顶层和底层以相反的手性运动,可看成狄拉克费米子的两个分量（Weyl费米子）。该体系中这种带质量的狄拉克费米子具有自发的拓扑磁电极化,这可以理解为其自旋与其固有电偶极矩通过“轴子”场耦合起来。