重大突破！石墨烯，最新《Science》！

一、研究背景

量子集成芯片、虚拟现实技术、区块链、脑机接口以及全息投影等均是潜在的未来技术，这都归结于人工智能的飞速发展。因此对材料的综合性能提出了更高的要求。为此，在材料的电磁性能及拓扑性能的研发中，范德瓦尔斯moiré 结构的构建、形成及调控机制具有很强的研究价值。它对半导体物理学的发展以及微观结构理论的完善具有重要的推动作用。尤其是数字电路、集成电路的设计中，构建的具有优异半导体性质、电磁性能以及拓扑性质的异质结构在各个领域得到了广泛的应用。例如：2021年世界上首态磁悬浮列车由西南交通大学磁悬浮与悬浮列车教育重点实验室研究成功，正是利用其材料的超导及抗磁性等电学性能的特性。时速高达600公里，进而，该团队在此基础上又提出真空管超高速列车，一旦研发成功，将大大减少人们的出行时间，提供更大的便利。真空管超高速列车可以在海洋下运行，也可实现星际旅行。届时人们从北京到纽约，就如同市区到郊区一样方便。

磁悬浮列车

真空管磁悬浮

然而，这些美好技术的实现主要依托于优异的电磁性能，而这当中范德华moiré结构是重中之重，作为形成某种拓扑结构的必要阶段，自旋轨道耦合为拓扑结构性质的设计提供了新的实验思路。最近有研究表明，自旋轨道耦合可以赋予moiré结构非零的贝里曲率。在moiré填充下形成铁磁有序结构，无需与六角氮化硼的对准（hBN）衬底。与需要调整化学成分以产生自旋轨道锁定的大块材料不同，vdW结构中存在通过邻近效应的替代路径，使得石墨烯和过渡金属二卤化物晶体之间有着紧密的连接，并导致两种晶体的电子波函数重叠并杂交。而这在范德华moiré结构的绝缘体-金属相变中起重要的作用。自旋轨道耦合效应是电子自旋与轨道相互作用的桥梁， 它提供了利用外电场来调控电子的轨道运动、 进而调控电子自旋状态的可能。随着自旋电子学的迅猛发展，自旋轨道耦合效应受到广泛关注，国际上关于相关材料中自旋轨道耦合效应引起的各种新奇物理现象的报道越来越多，如自旋霍尔效应、自旋场效应晶体管、低损耗的自旋、自旋量子计算等。

因此，研究并掌握范德华moiré结构中的自旋耦合机制是制备高电学性能及拓扑性质材料的关键。

二、研究成果

对此，来自美国布朗大学物理系的J. I. A. Li团队深入研究了魔角扭曲双层石墨烯范（tBLG）德华moiré结构的铁磁性，并揭示其自旋轨道驱动机制。该研究团队通过运输测量法检查了双层石墨烯的moiré能带和关联量子相的自旋耦合机制，得出在moiré能带中强烈的电子关联使其在四分之一和一半填充处呈现出绝缘态，而通过自旋耦合可以将其转变为铁磁性状态，并通过反霍尔效应行为得以证实。自旋自由度和谷自由度之间的耦合通过面内磁场或垂直电场控制磁序来证明。相关成果在2022年1月6日以“Spin-orbit–driven ferromagnetism at half moiré filling in magic-angle twisted bilayer graphene”为题发表在science。该研究对于范德华moiré结构的探索以及耦合机制的理解有重要的借鉴意义。

三、研究内容

对此BLG/WSe₂界面的磁滞行为如图1和图2所示，为了便于理解自旋耦合机制，作者引入哈密顿算符：

其中， τ, σ, s 分别表示每个动量k处波谷、超晶格态和自旋态的Pauli矩阵，λ_I 和 λ_R 分别表示的Ising和Rashba 耦合系数。Ising耦合系数锁定谷距τ_z和及自旋距s_z，Rashba 耦合系数则锁定平面内自旋 s_x , s_y 和超晶格态σ_x , σ_y。对于没有自旋耦合效应的tBLG结构陈数C₂的对称性被定义为C₂：τ_xσ_x。时间反演对称被定义为 T:iτ_xs_yK,K为复共轭系数。对此Ising和Rashba 耦合系数打破了C₂的对称性，从而表现出时间的反演对称。因此在自旋轨道耦合的作用下该平衡被打破。

Rashba 耦合系数和时间反演对称使得在布里渊区产生山谷相对的自旋纹理。对于任意动量k，旋转两个相反的点方向，s_k（K）=–s_k（–K）。每个带的自旋矩可以通过通过积分得到。

另一方面，一个轨道铁磁状态出现是因为-极化的Chern带被占据，自发断裂-时间反转对称性。最引人注目的是，combina-SOC的极化、谷极化和断裂的C 3旋转对称性允许平面内磁场耦合到通过面内塞曼能量的轨道磁序。

图1  tBLG/WSe₂界面的有序

图2 面内磁场的磁序调控

同位旋极化和超导电性的缺失在SOC中，ν=–1处的基态显示为同位旋在B=0（38,39）时未极化。一种大型计算机在计算机中的应用-平面磁场将提升同位旋简并度，稳定在ν=–1附近的同位旋铁磁态（IF3），这是通过电阻与非极化状态（IU）得出霍尔密度中R_xx的峰值。该图展示了铁磁态和绝缘态之间的相界。可以看出材料的铁磁相和绝缘相依次交替形成。在自旋轨道耦合作用下相应的相分布有明显的变化。得出电磁的自旋与轨道之间有强烈的相互作用。通过改变温度。复合结构内部的moiré能带发生了明显的变化，使得电子从价带跃迁至导带的能垒大大降低，载流子迁移随之改变。而电荷的运动在空间产生感应磁场，促使其自发磁化，使得材料从绝缘态转变为铁磁态。

图3 同位旋序与超导性的缺失

四、展望

范德华moiré结构的应用前景广阔迷人，但是将美好的愿景付诸实践却没那么容易。目前，人们尚未完全理解其形成机制。相关研究仍在进行当中，现在仅是个开始。几乎所有的范德华moiré结构都有它特有的性质，范德华moiré结构的理论基础正在形成。但我们仍然认为多数有趣现象可在该结构中出现。

五、作者单位简介

布朗大学（Brown University）创立于1764年，是全美第七古老的大学，坐落在美国罗得岛州首府普罗维登斯市。是一所享誉世界的顶级私立研究型大学，闻名世界的八所常春藤盟校之一，在其办学历史上培养了极多全球顶尖大学的领导者，因此在全球高等教育领域都有着极其深远的影响力，牛津大学、麻省理工学院、宾夕法尼亚大学、达特茅斯学院、杜克大学、塔夫茨大学、威廉姆斯学院、曼荷莲学院、玛卡莱斯特学院、维思大学、科尔比学院、贝茨学院、伦敦国王学院、波士顿大学、乔治华盛顿大学、巴布森学院、里士满大学、密歇根大学、凯斯西储大学、俄亥俄大学、纽约州立大学石溪分校、伯克利音乐学院、庆应义塾大学、浙江大学等诸多全球许多高等教育学府均有其领军人物毕业于布朗大学。

其物理系在全球排名前列，主要从事的研究包括，超导材料的设计，纳米机器人的研发，人工智能，高能粒子的研究等前沿科技，并培养出了许多尖端人才。对人类科学技术的发展做出了杰出的贡献。

六、文献

文献链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh2889