“魔角”石墨烯揭示了磁性惊喜

诸平

When layers of "magic-angle" graphene (bottom) come in contact with layers of certain transitions metals, it induces a phenomenon called spin-orbit coupling in the graphene layers. That phenomenon gives rise to surprising physics, including ferromagnetism. Credit: Li Lab / Brown University

之前介绍过与石墨烯相关的研究：如“在自然发生的石墨烯中发现了新的量子效应”、“‘磁性石墨烯’形成了一种新磁性(附原文)”、MIT物理学家在扭曲石墨烯“纳米三明治”中创造可调超导性、布朗大学研究发现:“魔角”石墨烯中令人惊讶的电子相互作用等，下面再介绍布朗大学的最新报道。

据美国布朗大学（Brown University）2022年1月6日报道，该校的研究人员在“魔角”石墨烯中揭示了磁性惊喜（Magnetic surprise revealed in 'magic-angle' graphene）。

当两层碳纳米材料石墨烯以特定的角度堆叠在一起时，就会产生一些有趣的物理现象。例如，当这种所谓的“魔角”石墨烯（'magic-angle' graphene）被冷却到接近绝对零度时，它突然变成了超导体，这意味着它可以在零电阻的情况下导电。现在，布朗大学的一个研究小组发现了一种令人惊讶的新现象，这种现象可以出现在魔角石墨烯中。相关研究结果于2022年1月6日已经在《科学》（Science）杂志网站上发表——Jiang-Xiazi Lin, Ya-Hui Zhang, Erin Morisse, Ttezhi Wang, Song Liu, Daniel Rhodes, K. Watanabe, T. Taniguchi, James Hone, J. I. A. Li. Spin-orbit–driven ferromagnetism at half moiré filling in magic-angle twisted bilayer graphene. Science, 6 Jan 2022, DOI: 10.1126/science.abh2889. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh2889.在此项研究中，该研究团队表明，通过诱导一种称为自旋轨道耦合（spin-orbit coupling）的现象，魔角石墨烯变成了一种强大的铁磁体（ferromagnet）。

布朗大学物理学助理教授、该研究的通讯作者李嘉（Jia Li音译）说：“在凝聚态物理中，磁性和超导性通常处于光谱的两端，它们很少出现在同一材料平台上。然而，我们已经证明，我们可以在一个原本具有超导性的系统中创造磁性。这为我们研究超导和磁性之间的相互作用提供了一种新的方法，并为量子科学研究提供了令人兴奋的新可能性。”

近年来，魔角石墨烯在物理学领域引起了不小的轰动。石墨烯是一种由碳原子按蜂窝状排列而成的二维材料。单片石墨烯本身就表现出非凡的材料强度和极其高效的电导率，这一点很有趣。但当石墨烯层堆叠起来时，事情变得更加有趣。电子不仅开始与石墨烯薄片内的其他电子相互作用，而且开始与相邻薄片内的电子相互作用。改变薄片彼此之间的角度会改变这些相互作用，从而产生有趣的量子现象，比如超导性。

这项新的研究为这个已经很有趣的系统增加了一个新的小难题——自旋轨道耦合（spin-orbit coupling）。自旋轨道耦合是特定材料中电子行为的一种状态，在这种状态下，每个电子的自旋微小的磁矩(向上或向下)与它围绕原子核的轨道相连接。

布朗大学的博士后研究员、上述研究的第一作者林蒋夏志（Jiang-Xiazi Lin音译）说：“我们知道自旋轨道耦合产生了一系列有趣的量子现象，但它通常不存在于魔角石墨烯中。我们想在魔角石墨烯中引入自旋轨道耦合，然后看看它对系统有什么影响。”

为了做到这一点，李嘉和他的团队将魔角石墨烯与一块二硒化钨（WSe₂）结合在一起，二硒化钨是一种具有强自旋轨道耦合的材料。调整堆栈精确地诱导了石墨烯中的自旋轨道耦合。从那里，研究小组用外部电流和磁场探测了这个系统。

实验表明，在外部磁场存在的情况下，沿一个方向流过此材料的电流会产生垂直于电流方向的电压。这种电压被称为霍尔效应（Hall effect），是此材料内部磁场的标志。

令研究小组吃惊的是，他们发现磁场状态可以通过外部磁场来控制，外部磁场的方向可以是石墨烯平面内的，也可以是平面外的。这与无自旋轨道耦合的磁性材料相反，在无自旋轨道耦合的磁性材料中，只有当外部磁场沿着磁性方向排列时，才能控制固有磁性。

“这一观测结果表明，自旋轨道耦合确实存在，并为建立理解原子界面影响的理论模型提供了线索。”来自哈佛大学（Harvard University）的理论物理学家张亚辉（Yahui Zhang音译）说，他与布朗大学的团队合作，了解与观测到的磁场相关的物理现象。

完成了某些实验工作的布朗大学研究生伊琳·莫里塞特（Erin Morrissette）说：“自旋轨道耦合的独特影响为科学家们提供了一个新的实验旋钮，使他们能够努力理解魔角石墨烯的行为，这些发现还具有应用于新设备的潜力。”

一个可能的应用是在计算机内存中。研究小组发现，魔角石墨烯的磁性可以通过外部磁场和电场来控制。这将使这个二维系统成为具有灵活读写选项的磁存储设备的理想候选者。研究人员说，另一个潜在的应用是量子计算。铁磁体和超导体之间的界面被认为是量子计算机的潜在组成部分。但问题是，这样的界面很难创建，因为磁铁通常会破坏超导性。但一种兼具铁磁性和超导性的材料可以提供一种创造这种界面的方法。

李嘉说：“我们正在研究利用原子界面来同时稳定超导性和铁磁性。这两种现象的共存在物理学中是罕见的，它肯定会带来更多的刺激。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Strong electron correlation and spin-orbit coupling (SOC) can have a profound influence on the electronic properties of materials. We examine their combined influence on a 2-dimensional electronic system at the atomic interface between magic-angle twisted bilayer graphene and a tungsten diselenide crystal. Strong electron correlation within the moiré flatband stabilizes correlated insulating states at both quarter and half filling, and SOC transforms these Mott-like insulators into ferromagnets, evidenced by robust anomalous Hall effect with hysteretic switching behavior. The coupling between spin and valley degrees of freedom is demonstrated through the control of the magnetic order with an in-plane magnetic field, or a perpendicular electric field. Our findings establish an experimental knob to engineer topological properties of moiré bands in twisted bilayer graphene and related systems.