Nature Communications | 扭曲石墨烯螺旋中的极大磁阻与金属-绝缘体转变研究！

研究背景

极大磁阻（XMR）是指在施加外部磁场下，材料的电阻值显著增加的现象，通常在一些特殊的材料系统中观察到，如 Weyl 半金属和某些二维层状材料。该现象的出现不仅推动了自旋电子学设备（如磁传感器、磁性存储器和硬盘驱动器）的发展，还对探索新的物理现象和材料特性具有重要意义。

XMR 的研究主要集中在具有完美电子-空穴对称性或极高电导率和迁移率的材料中。这些材料通常是 Weyl 半金属，其独特的拓扑性质使得电子和空穴在费米面上分布均匀，从而导致显著的磁阻效应。然而，传统的 XMR 研究主要集中于一些已知的半金属和二维材料系统，这些材料的 XMR 现象受限于其晶体质量和拓扑特性。尤其是在二维摩尔晶格中，虽然已经观察到 XMR 的显著增大，但其机制和应用仍有待深入探讨。

研究内容

针对这些挑战，上海科技大学刘健鹏课题组、王竹君课题组、李军教授等人在“Nature Communications”期刊上发表了题为“Extremely large magnetoresistance in twisted intertwined graphene spirals”的最新论文。本文探讨了一种新型的三维交织扭曲石墨烯螺旋（TGS）体系的电子性质。作者通过调整螺旋位错轴实现了 7.3° 的旋转角度，发现这种三维摩尔石墨超级晶格在 14 T 和 2 K 下的磁阻达到了 1.7 × 10⁷%，同时观察到了显著的金属-绝缘体转变。

这一转变在磁场超过约 0.1 T 时变得明显，表明该系统的部分填充三维朗道能级中可能存在复杂的关联态。通过这些实验观察，作者揭示了三维 TGS 系统在 XMR 研究中的潜力，为二维层状摩尔系统的拓扑结构工程提供了新的思路。这项研究不仅为深入理解 XMR 现象提供了新的视角，也为开发高性能自旋电子学器件奠定了基础。

图文解读

（1）实验首次在三维扭曲石墨烯螺旋（TGS）系统中观测到极大磁阻（XMR），并获得了显著的金属-绝缘体转变。通过调节螺旋位错轴，实现了 7.3° 的旋转角度，观察到在 14 T 磁场下，磁阻达到了 1.7 × 10⁷%，创下了记录。这一发现表明 TGS 系统具有极高的磁阻特性和潜在的拓扑性质。

（2）实验通过量子振荡测量，识别出了两个不同的频率，分别对应于电子和空穴的载流子区域：在 4.67 T 处的电子区域和在 6.67 T 处的空穴区域。这些结果得到了霍尔效应测量的验证。

（3）同时，温度升高时观察到的金属-绝缘体转变在磁场超过约 0.1 T 时变得明显，临界温度 T* 在 3 T 以上的磁场中稳定在约 26.9 K。该转变可能源于部分填充三维朗道能级中的电子关联效应。这些观察结果揭示了 TGS 系统中复杂的关联态，并为通过工程化二维摩尔系统的拓扑结构实现 XMR 开辟了新的可能性。

图 1 | 在施加 7 T 磁场下的各种半金属中的 XMR。

图 2 | 扭曲石墨烯螺旋的结构分析。

图 3 | 量子振荡。

图 4 | 扭曲石墨烯螺旋中的异常金属-绝缘体转变。

结论展望

本研究揭示了三维扭曲石墨烯螺旋（TGS）系统中的极大磁阻（XMR）现象及其与金属-绝缘体转变的关系，提供了重要的科学启示。首先，实验首次在具有高度拓扑结构和高质量晶体形成的体石墨超级晶格中观察到 XMR，达到了 1.7 × 10⁷%（2 K，14 T），这为探究二维层状摩尔系统的磁阻特性开辟了新的研究方向。这一发现表明，通过精确调控材料的拓扑结构，可以显著增强其磁阻效应，这一点在以往的研究中尚未见到。

其次，量子振荡测量和霍尔效应测量的结合，为理解 TGS 系统中的载流子特性提供了宝贵数据。观察到的电子和空穴载流子区域的频率差异以及粒子-空穴对称性的破坏，提示了材料中可能存在复杂的关联效应。这种发现拓展了作者对半金属材料中载流子行为的理解，并可能对设计新型电子器件具有重要意义。

此外，实验中观察到的金属-绝缘体转变及其与 XMR 的关系，进一步强调了三维朗道能级填充对材料性质的影响。这种转变不仅揭示了材料在不同磁场条件下的电子相互作用，还与魔角扭曲双层石墨烯中的类似效应相似，为研究其他二维材料中的相变现象提供了参考。

该工作发表在Nature Communications上

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50456-0