从五层石墨烯三明治中，出现了罕见的电子状态

普通的铅笔芯在剃光成像原子一样薄的层时具有非凡的特性。一块原子薄的石墨片，称为石墨烯，只是人类头发宽度的一小部分。在显微镜下，该材料类似于连接在六边形晶格中的碳原子的鸡丝。

尽管石墨烯的比例类似，但多年来科学家们发现石墨烯非常强。当材料以特定的扭曲方式堆叠和扭曲时，它可以呈现出令人惊讶的电子行为。

现在，麻省理工学院的物理学家在石墨烯中发现了另一个令人惊讶的特性：当以菱形图案堆叠成五层时，石墨烯呈现出非常罕见的“多铁性”状态，其中材料表现出非常规磁性和奇特的电子行为，该团队创造了铁谷三性。

“石墨烯是一种迷人的材料，”麻省理工学院物理学助理教授Long Ju说。“你添加的每一层基本上都给你一种新材料。现在，这是我们第一次在五层石墨烯中看到铁谷三相性和非常规磁性。但我们没有看到一层、两层、三层或四层的这种属性。

这一发现可以帮助工程师为经典和量子计算机设计超低功耗、高容量的数据存储设备。

“在一种材料中具有多铁性特性意味着，如果它可以节省写入磁性硬盘驱动器的能源和时间，那么与传统设备相比，您还可以存储两倍的信息量，”Ju说。

他的团队今天在 《自然》杂志上报告了他们的发现。麻省理工学院的共同作者包括主要作者韩同航，以及卢正光、韩天一和梁福;与哈佛大学合作者乔瓦尼·斯库里、宋智浩、王觉和朴洪坤;以及日本国立材料科学研究所的渡边贤治和谷口隆史。

对订单的偏好

铁材料是在其电、磁或结构特性中表现出某种协调行为的材料。磁铁是铁材料的一个常见例子：它的电子可以在没有外部磁场的情况下协调在同一方向上旋转。结果，磁铁自发地指向空间中的首选方向。

其他材料可以通过不同的方式是亚铁的。但只有少数被发现是多铁性的 – 一种罕见的状态，其中多个属性可以协调以表现出多个首选状态。在传统的多铁性研究中，好像除了磁铁指向一个方向之外，电荷还向独立于磁方向的方向移动。

多铁性材料对电子产品很感兴趣，因为它们有可能提高硬盘的速度并降低其能源成本。磁性硬盘驱动器以磁畴的形式存储数据 – 本质上是微观磁铁，根据其磁性方向被读取为1或0。磁铁由电流切换，电流消耗大量能量并且无法快速运行。如果可以用多铁性材料制造存储设备，则可以通过更快，低功率的电场切换域。Ju和他的同事们很好奇石墨烯中是否会出现多铁性行为。这种材料极薄的结构是一个独特的环境，研究人员在其中发现了其他隐藏的量子相互作用。特别是，Ju想知道石墨烯在某些条件和配置下排列时是否会在其电子之间表现出多铁性，协调行为。

“我们正在寻找电子减慢的环境 – 它们与周围原子晶格的相互作用很小，因此它们与其他电子的相互作用可以通过，”Ju解释说。“那时我们有机会看到有趣的电子集体行为。

该团队进行了一些简单的计算，发现电子之间的一些协调行为应该出现在五个石墨烯层的结构中，这些石墨烯层以菱形图案堆叠在一起。（想想五个鸡丝网，堆叠并略微移动，从顶部看，结构类似于钻石图案。

“在五层中，电子恰好处于晶格环境中，它们移动非常缓慢，因此它们可以有效地与其他电子相互作用，”Ju说。“那时电子相关效应开始占主导地位，它们可以开始协调成某些首选的铁阶。

魔法片

然后，研究人员进入实验室，看看他们是否真的可以观察到五层石墨烯中的多铁性行为。在他们的实验中，他们从一小块石墨开始，小心翼翼地从中去除单个薄片。他们使用光学技术检查每个薄片，专门寻找五层薄片，自然排列成菱形图案。

“在某种程度上，大自然创造了魔力，”主要作者和研究生Han说。“我们可以观察所有这些薄片，并分辨出哪个有五层，在这个菱形堆叠中，这应该给你带来电子的减速效应。

该团队分离了几个五层薄片，并在略高于绝对零度的温度下对其进行了研究。在这种超冷条件下，所有其他效应，例如石墨烯内的热诱导紊乱，都应该受到抑制，允许电子之间的相互作用出现。研究人员测量了电子对电场和磁场的反应，发现确实出现了两个铁阶或一组协调行为。

第一个铁性特性是一种非常规的磁性：电子协调它们的轨道运动，就像行星朝同一方向盘旋一样。（在传统磁铁中，电子协调它们的“自旋”——沿同一方向旋转，同时在空间中保持相对固定。

第二个铁特性与石墨烯的电子“谷”有关。在每种导电材料中，电子都可以占据一定的能级。谷代表电子可以自然沉降的最低能量状态。事实证明，石墨烯中有两个可能的山谷。通常，电子对任何一个谷都没有偏好，而是平等地沉降到两个谷中。

但在五层石墨烯中，研究小组发现电子开始协调，并且更喜欢在一个山谷中定居而不是另一个山谷。这第二种协调行为表明了一种铁特性，结合电子的非常规磁性，使该结构具有罕见的多铁性状态。

“我们知道在这个结构中会发生一些有趣的事情，但我们不知道到底是什么，直到我们测试它，”共同第一作者Lu说，他是Ju小组的博士后。“这是我们第一次看到铁谷电子学，也是我们第一次看到铁谷电子学与非常规铁磁体共存。

该团队表明，他们可以使用电场来控制这两种铁特性。他们设想，如果工程师能够将五层石墨烯或类似的多铁性材料整合到存储芯片中，原则上，他们可以使用相同的低功耗电场以两种方式而不是一种方式操纵材料的电子，并且与传统的多铁性相比，有效地将可以存储在芯片上的数据增加一倍。虽然这一愿景远未实现，但该团队的结果在寻找更好，更高效的电子，磁性和谷电子器件方面开辟了新的天地。

这项研究部分由美国国家科学基金会和斯隆基金会资助。