双层石墨烯成果再发Science,通过引入自旋轨道耦合,有望实现超导和磁性共存

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自中科大天才少年曹原发现魔角石墨烯可以实现许多奇特的电磁性质,最广泛被熟知的是其超导性,此后,转角石墨烯的相关研究频频出现在 Science 和 Nature。

图 | 重叠两片石墨烯显示出一种特征图案(来源:Nature)

2022 年 1 月 6 日,Science 在线发表了与双层石墨烯相关的题为《魔角双层石墨烯半填充的自旋轨道驱动铁磁性》 (Spin-orbit–driven ferromagnetism at half moiré filling in magic-angle twisted bilayer graphene )的研究论文,该论文是布朗大学李嘉研究组的最新成果[1]。

图 | 相关论文(来源:Science)

将两个石墨烯层以一个小的、”神奇 “的角度相互扭曲,会增强这种二维材料中的电子相关性,从而导致超导和相关的绝缘相,这些相位可以通过压力等外部因素进行调整。在该研究中,通过在石墨烯双层的附近放置一层二硒化钨,为这个系统增加了另一个控制旋钮。这种设计导致界面上的自旋-轨道耦合,在特定的载流子浓度下导致铁磁性的出现。

关于该研究的价值和创新性,李嘉表示,超导和磁性在转角石墨烯系统中已经报道过,不过通过引入自旋轨道耦合来调控超导和磁性的稳定性是一个新的发现。

另外,他说到,发现平行磁场对磁性的调控性能是一个很意外的惊喜,因为这个调控性能提供了自旋轨道耦合的直接证据。通过近邻作用在石墨烯里面引入自旋轨道耦合是一个很热门的研究课题,不过这么直接的实验证据是很稀少的。

如论文标题所示,自旋-轨道耦合(spin-orbit coupling,SOC)的基本概念被应用在了这项研究中。根据维基百科的解释,在量子力学中,一个粒子因为自旋与轨道运动而产生的作用,称为自旋-轨道耦合。最典型的例子是电子能级的位移,电子移动经过原子核的电场时,会产生电磁作用,电子的自旋与这电磁作用的耦合,形成了 SOC。

扭曲双层石墨烯(twisted bilayer graphene, tBLG)/WSe2 异质结构的几何形状在下面的示意图中可以看到。通过在魔角 tBLG 上面堆叠少层的 WSe2 晶体来创造一个原子界面,它的上下两面被六方氮化硼(hBN)和石墨晶体进一步封装,以达到最佳的样品质量。

图 | tBLG/ WSe2 界面的铁磁性(来源:Science)

最值得注意的是,SOC、谷底极化(valley polarization)和断裂的 C3(Chern number,C,陈数)旋转对称性的结合,使得面内磁场通过面内塞曼能量(Zeeman energy)耦合到轨道磁序,且这种利用平行的面内磁场控制面外磁序的方法在下图中得到了证明。

图 | 利用平行磁场调控磁性(来源:Science)

自发破裂的 C3 对称性天然地来自于强 SOC 和向列型电荷排布的结合。另外,自旋的首选面内方向可能来自摩尔晶格中少量的单轴应变,这在 tBLG 样品中是常见的。

另外,研究表明,SOC 的强度可以通过垂直电场 D 来控制。在正电场下,电荷载流子被极化到 WSe2 晶体上,导致波函数重叠增加,SOC 增强;相反,在负电场下,电荷载流子被极化到远离 WSe2 晶体上,导致波函数重叠减少,SOC 减弱。

图 | 位移-场的依赖性(来源:Science)

接下来,研究者们考虑 SOC 对同位旋极化和超导性的影响。结果表明,在所设计的样品中,超导相对近距离诱导的 SOC 是不稳定的。

图 | 同位旋和超导的消失(来源:Science)

强烈的电子相关性和自旋轨道耦合可以对材料的电子特性产生深刻的影响。总之,该工作研究了它们对魔角扭曲的双层石墨烯和 WSe2 晶体之间原子界面的二维电子系统的综合影响。

实验发现,摩尔平带内的强电子关联性稳定了四分之一和一半填充时的相关绝缘状态,而 SOC 将这些莫特类绝缘体转变为铁磁体,这可以通过具有滞后开关行为的强大反常霍尔效应得到证明。此外,自旋和谷底自由度之间的耦合可以用面内磁场或垂直电场控制磁秩序来证明。这项研究的结果建立了一个实验工具,用于在扭曲的双层石墨烯和相关系统中设计摩尔带的拓扑学特性。

该工作从想法到发表经历了一些步骤,包括制作样品、量子输运测量、再到发现磁性,进一步发现磁性可以用几种不同的实验手段来控制,并且和理论物理学家合作理解实验现象,最后就是写文章和发表。李嘉说道,文章从 2020 年 10 月左右开始准备,直到 2021 年 2 月提交到 Science 期刊。同时,博士后出色的工作对于这个成果是不可或缺的,且理论合作者帮助我们深度理解数据,也是让研究工作的影响力扩大的必要条件。

关于后续的研究计划,李嘉表示,通过调控超导和磁性相对稳定性,研究组将会进一步研究能不能实现超导和磁性共存。若能实现共存,这种材料将在量子计算中发挥作用。

图 | 李嘉(来源:李嘉)

据悉,李嘉来自重庆,从他的课题组主页可以发现,其研究组已经在二维材料电子特性的研究上取得一些成果,在 Nature、Science、Nature Physics、Physical Review Letters 发表过数篇论文。

-End-

参考:

1、Lin, J. X., Zhang, Y. H., Morissette, E., Wang, Z., Liu, S., Rhodes, D., … & Li, J. I. A. (2022). Spin-orbit–driven ferromagnetism at half moiré filling in magic-angle twisted bilayer graphene. Science, eabh2889.

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