研究透视：Nature-​菱形堆叠五层石墨烯 | 多铁

铁性序Ferroic orders描述了材料自旋、电荷和晶格自由度的自发极化。同时表现出多个铁性序的材料，称为多铁材料multiferroics，在多功能电磁器件应用中，具有重要作用。

具有蜂窝状晶格的二维材料，提供了设计非常规多铁材料的机会，其中铁性序完全由轨道自由度驱动，而不是由电子自旋驱动。这些包括对应于电子谷的铁谷性ferro-valleytricity，以及由量子几何效应支持的多铁轨道磁性。这些自旋轨道多铁材料，有望提供了强大的谷磁耦合和对外场的较大响应，从而实现器件应用，例如，多态存储元器件和谷磁态的电子调控。

今日，美国 麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）Tonghang Han, Zhengguang Lu，Long Ju等，在Nature上发文，基于低温磁输运测量，报道了菱形堆叠五层石墨烯中的轨道多铁性。

实验观察到了，异常霍尔信号Rxy，具有异常大的霍尔角（tanθ_H＞0.6）和空穴掺杂时的轨道磁滞magnetic hysteresis。还具有不同的谷极化和轨道磁化，形成谷磁四重态。通过扫描栅极电场E，观察到连接四重态Rxy的蝶形磁滞。

这种磁滞现象表明，铁磁谷电子序与复合场E·B（其中B是磁场）耦合，但不与单个场耦合。调谐电场E，将独立地翻转每个铁性序，并且一起实现其非易失翻转。还展示了一种以前未知类型的多铁性材料，并指出了电可调的超低功率谷电子和磁性器件。

Orbital multiferroicity in pentalayer rhombohedral graphene.
菱形堆叠五层石墨烯的轨道多铁性。

图1:在菱形堆叠五层石墨烯中，栅极诱导贝尔Berry曲率和谷磁四重态valley–magnetic quartet。

图2:在谷极化半金属中，铁性序的轨道磁性。

图3:铁谷性Ferro-valleytricity。

图4:由磁场和温度控制的铁谷性。

图5:轨道多铁性的电调控。

（小注：铁性(Ferro)功能材料，具有重要且极为广泛的应用价值，铁性序主要包括磁有序、铁电序和铁弹序。磁有序，呈现时间反演对称性破缺；铁电序，呈现空间反演对称性破缺；铁弹序，体系仍保留时间和空间反演对称性。铁涡序(Ferrotoroidicorder)，将同时破坏时间和空间反演对称性。靳常青/望贤成）

文献链接

Han, T., Lu, Z., Scuri, G. et al. Orbital multiferroicity in pentalayer rhombohedral graphene. Nature (2023).

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06572-w

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06572-w

本文译自Nature。