五层菱面体石墨烯的轨道多铁性技术研究

 

原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

多铁性材料在多功能电、磁器件应用中具有重要的地位。具有蜂窝状晶格的二维材料是开发非常规多铁性的理想平台，其中铁性序是由轨道自由度驱动的，包括与电子谷相对应的铁谷性和由量子几何效应支持的铁轨道磁性。这些轨道多铁性材料可以提供强大的谷磁耦合和对外部场的大响应，从而实现多状态存储元件以及谷和磁状态的电控制等设备应用。

有鉴于此，麻省理工学院巨龙等人利用低温磁输运测量报告了五层菱面体石墨烯的轨道多铁性。在空穴掺杂处观察到了具有异常大的霍尔角( tanΘH>0.6)和轨道磁滞的反常霍尔信号Rxy。有四种具有不同谷极化和轨道磁化强度的这样的状态，形成谷磁四重态。通过扫描栅极电场E，作者观察到连接四重奏的Rxy的蝴蝶形磁滞。这种磁滞表明铁谷电子序耦合到复合场E·B，但不耦合到各个场。调整E将独立切换每个铁磁序并共同实现非易失性切换。总之，本工作证明了一种以前未知的多铁性，并指出了电可调超低功率谷电子学和磁性器件。

本文要点：

1）五层菱面体石墨烯轨道多铁性

作者通过将石墨烯和六方氮化硼 (hBN) 层之间的角度扭转到远离 0 度的角度以避免莫尔效应，探讨了菱面体堆叠五层石墨烯的轨道多铁性。结果表明，谷和轨道磁化强度是菱面体石墨烯中两个独立的有序参数。因此，可能存在四个谷极化态，(K, +M)、(K, -M)、(K',+M) 和 (K', -M)。

图1 菱面体堆叠五层石墨烯中栅极诱导的贝里曲率和谷磁四重态

2）自发铁轨道磁性

作者展示了Rxx与零磁场中电子密度ne和E的函数关系并总结了ΔBc和 ΔRxy的值作为E的函数。注意到反常霍尔角异常大，最大tanQH>0.6。结合同位旋对称性破缺与反常霍尔信号，可以得出结论，翼区是谷极化的，磁滞回线表现出铁轨道磁性。定性地讲，扫描B同时切换谷值和磁化强度，通过在固定B处切换E的符号，谷序被翻转，而磁化强度保持不变，这展示了一种实现轨道磁性电调谐的机制。

图2 谷极化半金属中的铁轨道磁性

3）铁谷性

作者通过扫描B=20 mT处的电场E进一步探索谷和轨道磁阶，注意到小磁场用于抑制整个磁化强度的波动。作者展示了不同状态对应的能带结构和费米能级，结果表明，谷极化和轨道磁化强度是基态的两个不同的阶参数。此外，五层石墨烯中可能存在蝶形磁滞现象，因为谷极化半金属位于零 E 附近。谷极化的共轭场为E·B。轨道磁化强度和谷序之间的耦合可以通过每个空穴的自由能 F =−αV E·B来描述。

图3 铁谷度

4）B和T依赖性铁谷性

接着，作者进一步探索了铁谷性对B和升高温度T的响应。作者探究了蝴形磁滞随B的演变规律，随着|B|增大，表现出迟滞的E范围逐渐缩小，作者还展示了定性描述B和T响应的模型。每个空穴的平均轨道磁矩大约是电子自旋磁矩的10倍，这使得与磁场的耦合更强。

图4 磁场和温度控制的铁谷性

5）轨道多铁性和切换

作者将铁谷性与传统铁序和共轭场进行了比较，谷序打破了反演对称性和时间反演对称性，铁谷性和轨道铁磁性的共存代表了一种以前未知的多铁性类型，其中两种顺序最终源自电子的轨道度而不是自旋。这两个级数彼此强烈耦合，类似于II型多铁性材料。栅极电场在两种铁序中都起着重要作用，可以使用E来独立控制谷和轨道磁化强度。谷磁四重态之间的切换只需要改变栅极电场，这优于电流感应的磁化强度切换。

图5 轨道多铁性的电气控制

审核编辑：黄飞