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Nature重磅︱又是魔角石墨烯!又是背靠背2篇!
出处:Carbontech  录入日期:2020-11-26  点击数:2264

  石墨烯自2004年被首次发现以来,已经获得了全球科学家空前广泛的关注,在物理和化学的各个领域得到了极为广阔的发展和应用。2018年3月,麻省理工学院PabloJarillo-Herrero课题组(曹原在MIT的博士生导师)在~1.1°魔角扭曲的双层石墨烯中发现新的电子态,可以简单实现绝缘体到超导体的转变,打开了非常规超导体研究的大门,引来了石墨烯新的研究热潮。


  今日,麻省理工学院Pablo Jarillo-Herrero和加州大学圣芭芭拉分校A. F. Young等人,基于魔角石墨烯的莫尔超晶格同期发表2篇Nature,分别报道了非常规的铁电性和磁性控制,为新一代量子材料和电子器件的革新带来了新的方向。


  1、莫尔异质结中的超常规铁电性
  物质的构成粒子可以以各种方式进行排列,从而产生众多奇异的现象,这些现象通常不能仅仅通过研究单个的组成部分来理解。发现和理解量子材料中这种现象的出现,是凝聚态物质研究的根本兴趣所在,尤其是那些多自由度或能量尺度微妙平衡的材料。


  为此,美国麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero和Qiong Ma等人报告了在石墨烯莫尔异质结中意外出现的铁电现象。铁电材料表现出电可转换的电偶极子,通常是由单元内正电荷和负电荷平均中心的空间分离而形成的。在此基础上,很难想象石墨烯(一种仅由碳原子组成的材料)具有铁电性。但在这项工作中,他们在夹在两个六边形氮化硼层之间的伯纳尔堆叠双层石墨烯中实现了可切换的铁电。通过引入莫尔超晶格电势(通过使双层石墨烯与顶部和/或底部氮化硼晶体对齐),研究人员在外部施加的平面外位移场下观察到了石墨烯电阻显著且稳定的磁滞行为。该系统输运测量结果揭示了位移场和电子填充函数丰富而惊人的响应,这超出了常规铁电体的范围。作者进一步通过非局部单层石墨烯传感器直接探测铁电极化。结果表明,在双层石墨烯/氮化硼莫尔系统中,存在一种非常规的奇偶校验电子排序。这种新兴的莫尔铁电特性可以实现超快速,可编程且原子厚度的碳基存储设备。


  2、轨道Chern绝缘子中的超常规磁性切换
  磁性通常是由费米统计和排斥性库仑相互作用共同产生的,这有利于基态与非零电子自旋。因此,只能间接地实现通过电场控制自旋磁性(自旋电子学和多铁性化合物的长期技术目标)。

 


  为此,加州大学圣巴巴拉分校的A. F. Young通过实验证明了在Chern绝缘子中磁态的直接电场控制,在该磁性系统中,非平整带拓扑结构有利于轨道角动量的长程阶数,但自旋仍然无序的。研究人员使用由伯纳尔堆叠的、双层旋转断裂的石墨烯单层组成范德瓦尔斯异质结来实现狭窄且拓扑学上重要的谷能带投影莫尔微带。在这些带内每莫尔元胞中填充一和三个电子时,作者观察到量化的反常霍尔效应;在每莫尔元胞中填充三个电子时,可以通过对化学势的场效应控制来逆转量子异常霍尔效应的征兆。此外,这种转变是滞后的,作者用它来证明非易失性电场引起的磁态逆转。理论分析表明,这种效应是由拓扑边缘状态引起的,该状态驱动磁化符号的变化,进而导致有利的磁态发生逆转。磁态的电压控制可用于对托管手性边缘态的非易失性磁畴结构进行电图案化,可应用在可重构微波电路元件和超低功率磁存储器。

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