堆叠和扭曲石墨烯解锁了一种罕见的磁性

自从 15 多年前发现石墨烯以来，研究人员一直在全球竞相解锁其独特的特性。石墨烯(一种排列在六边形晶格中的一个原子厚的碳片)不仅是人类已知的最坚固、最薄的材料，而且还是一种极好的热和电导体。

现在，哥伦比亚大学和华盛顿大学的一组研究人员发现，在三层石墨烯结构中可以产生多种奇异的电子态，包括一种罕见的磁性。

研究结果发表在 10 月 12 日发表在《自然物理学》上的一篇文章中。

这项工作的灵感来自最近对石墨烯的扭曲单层或扭曲双层的研究，包括两个或四个总片。发现这些材料具有由电子之间的强相互作用驱动的一系列不寻常的电子态。

“我们想知道如果我们将石墨烯单层和双层组合成一个扭曲的三层系统会发生什么，”哥伦比亚大学物理学教授、该论文的资深作者之一科里迪恩说。“我们发现改变石墨烯层的数量赋予这些复合材料一些以前从未见过的令人兴奋的新特性。”

除了院长之外，华盛顿大学物理系和材料科学与工程系的助理教授 Matthew Yankowitz 和徐晓东教授也是这项工作的资深作者。哥伦比亚大学研究生陈绍文和华盛顿大学研究生何敏豪是该论文的共同主要作者。

为了进行他们的实验，研究人员将单层石墨烯片堆叠在双层片上并将它们扭曲约 1 度。在比绝对零度高几度的温度下，该团队观察到由电子之间的强相互作用驱动的一系列绝缘状态(不导电)。他们还发现，可以通过在石墨烯片上施加电场来控制这些状态。

“我们了解到应用电场的方向非常重要，”同时也是 Dean 小组前博士后研究员的 Yankowitz 说。

当研究人员将电场指向单层石墨烯片时，该系统类似于扭曲的双层石墨烯。但是当他们改变电场方向并将其指向双层石墨烯片时，它模仿了扭曲的双层石墨烯——四层结构。

该团队还在系统中发现了新的磁态。他们观察到，与传统的磁铁不同，传统磁铁是由电子的量子力学特性驱动的，称为“自旋”，团队的三层结构中电子的集体旋转运动是磁性的基础。

最近，其他研究人员在基于氮化硼晶体的各种石墨烯结构中发现了这种形式的磁性。该团队现在已经证明，它也可以在完全由石墨烯构建的更简单的系统中观察到。

“纯碳没有磁性，”扬科维茨说。“值得注意的是，我们可以通过以正确的扭曲角排列我们的三个石墨烯片来设计这种特性。”

除了磁性之外，该研究还发现了结构中的拓扑迹象。类似于将不同类型的绳结系在绳子上，材料的拓扑特性可能会导致信息存储的新形式，“可能是量子计算或新型节能数据存储应用的平台，”徐说。

目前，他们正在进行实验，以进一步了解他们在该平台中发现的新状态的基本属性。“这真的只是开始，”扬科维茨说。

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