有时候，最好的发现发生在科学家们最意想不到的时候。在试图复制另一个团队的发现时，斯坦福大学(Stanford)的物理学家们最近偶然发现了一种新形式的磁性，这种新形式是预测出来的，但之前从未见过的。
阿伦·夏普(Aaron Sharpe)拿着在斯坦福纳米共享设施洁净室(Stanford Nano Shared Facilities cleanroom)制作完成的扭曲双层石墨烯设备。(图片来源:Ker Than)
作者认为，这种被称为轨道铁磁性的磁性可能被证明对某些应用有用，比如量子计算。该小组在7月25日出版的《科学》杂志上描述了他们的发现。
“我们的目标不是磁性。研究负责人、斯坦福大学人文科学学院的物理学教授大卫·戈德哈伯-戈登说:“我们的发现表明，最有趣的事情有时会出人意料。”
斯坦福大学的研究人员在试图重现一项在物理学界引起轩然大波的发现时无意中发现了这一现象。2018年初，麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero研究小组宣布，他们已经成功诱导了两层排列不当的碳原子——扭曲的双层石墨烯——在没有电阻的情况下导电，这种特性被称为超导。
这一发现令人震惊地证实了近10年前的预测，即石墨烯薄片旋转到一个非常特殊的角度时，应该会出现有趣的现象。
当石墨烯堆叠和扭曲时，它会形成一个具有重复干涉或莫尔图案的超晶格。“这就像你演奏两个频率略有不同的音调，”戈德哈伯-戈登说。“你会得到两者之间的节拍，这与它们频率之间的差异有关。这就像你把两个格子叠在一起，然后扭曲它们，使它们不能完全对齐。”
物理学家的理论是，当石墨烯旋转到1.1度时，形成的特殊超晶格会导致材料中通常变化的电子能态坍塌，形成他们所说的平带，电子运动的速度会下降到接近于零。这样一来，任何一个电子的运动都变得高度依赖于它附近其他电子的运动。这些相互作用是许多奇异的物质量子态的核心。
“我认为在这个系统中发现超导性是惊人的。这是任何人都没有权利期望的。“但我也觉得，还有很多东西需要探索，还有很多问题需要回答，所以我们开始尝试重现这幅作品，然后看看我们能如何在它的基础上进行创作。”
一系列的幸运事件
在试图复制麻省理工团队的结果时，Goldhaber-Gordon和他的团队引入了两个看似不重要的改变。
组装叠层结构的光学显微图，由两片石墨烯片夹在由六角形氮化硼制成的两层保护层之间构成。(礼貌:亚伦夏普)
首先，当将蜂窝状的碳晶格封装在六角形氮化硼的薄层中时，研究人员无意中将其中一层保护层旋转到与扭曲的双层石墨烯接近对齐的位置。
“事实证明，如果你几乎将氮化硼晶格与石墨烯晶格对齐，就会显著改变扭曲的双层石墨烯的电学性质，”该研究的第一作者之一、戈德哈伯-戈登实验室的研究生亚伦·夏普(Aaron Sharpe)说。
其次，团队故意超过了两个石墨烯薄片之间的旋转角度。他们的目标不是1.1度，而是1.17度，因为最近有研究表明，扭曲的石墨烯薄片在制造过程中倾向于形成更小的角度。
戈尔德哈伯-戈登说:“我们认为，如果我们的目标是1.17度，那么气温将回落到1.1度，我们会很高兴。”“相反，我们得到了1.2度。”
一个异常信号
这些微小变化的后果直到斯坦福大学的研究人员开始测试扭曲石墨烯样品的性能时才显现出来。特别是，他们想要研究它的磁性是如何随着它的平带(电子慢至接近零的状态集合)被填满或被清空而改变的。
夏普将电子泵入冷却至接近绝对零度的样品中，在平带满四分之三时，他检测到垂直于电流流动的大电压。这种电压被称为霍尔电压，通常只出现在外部磁场存在的情况下——但在这种情况下，即使外部磁场已经关闭，这种电压仍然存在。
这种反常的霍尔效应只有在石墨烯样品产生自身内部磁场时才能解释。此外，这种磁场不可能是电子的自旋向上或向下排列的结果，这是磁性材料的典型情况，但一定是由于它们的轨道运动协调而产生的。
“据我们所知，这是已知的第一个材料中轨道铁磁性的例子，”Goldhaber-Gordon说。“如果磁性是由自旋极化引起的，你就不会期望看到霍尔效应。我们不仅看到了霍尔效应，而且看到了巨大的霍尔效应。”
优点的缺点
研究人员估计，扭曲石墨烯样品表面附近的磁场比传统冰箱磁铁弱100万倍左右，但在某些情况下，比如为量子计算机建立内存，这种弱磁场可能是强磁场的一种。
从左到右，Aaron Sharpe, David Goldhaber-Gordon和Eli Fox使用他们自制的转移阶段组装石墨烯异质结构。(图片来源:Ker Than)
Goldhaber-Gordon说:“我们的磁性双层石墨烯可以用非常低的功率开启，并且可以非常容易地通过电子方式读取。”“事实上，没有一个大的磁场从材料中向外延伸，这意味着你可以把磁位非常紧密地放在一起，而不用担心干扰。”
Goldhaber-Gordon的实验室还没有完成对扭曲双层石墨烯的探索。该小组计划利用最近改进的制造技术制造更多的样品，以便进一步研究轨道磁性。
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美国能源部(通过斯坦福材料与能源科学研究所)、ARCS基金会、Elemental Strategy Initiative、福特基金会、Gordon and Betty Moore基金会和国家科学基金会为这项研究提供了资金支持。
Goldhaber-Gordon也是斯坦福- slac量子基础、架构和机器(Q-FARM)倡议的执行委员会成员。
斯坦福大学的其他共同作者还包括物理学副教授马克·卡斯特纳(Marc Kastner)、博士后研究员亚瑟·巴纳德(Arthur Barnard)、研究生艾利·福克斯(Eli Fox)和乔·芬尼(Joe Finney)。日本国立材料科学研究所(National Institute for Materials Science)的研究人员也参与了调查。
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