研究繪制菱面體石墨烯中的磁化紋理圖譜

對(duì)稱(chēng)性破缺態(tài)的局域磁測(cè)量：下圖為尖端搭載納米超導(dǎo)量子干涉裝置（nano-SQUID）環(huán)掃描器件，呈現(xiàn)局域磁化圖案；插圖為尖端頂點(diǎn)處制備的 SQUID 環(huán)掃描電子顯微鏡圖像。下圖為自旋傾斜角 θ=±45° 時(shí)，對(duì)稱(chēng)性破缺半金屬相中的交流磁信號(hào)實(shí)空間圖譜。樣品相對(duì)邊緣（虛線(xiàn)處）的磁信號(hào)極性相反。樣品內(nèi)部的藍(lán)色圓形區(qū)域?yàn)橹苽錃埩艟酆衔镄纬傻臍馀荨?/p>

圖片來(lái)源：伊萊澤爾多夫（Eli Zeldov）教授與蘇拉吉特杜塔（Surajit Dutta）博士

石墨烯由單層呈六邊形晶格排列的碳原子構(gòu)成，是一種應(yīng)用廣泛的材料，以?xún)?yōu)異的電學(xué)和力學(xué)性能著稱(chēng)。當(dāng)石墨烯以所謂的 “菱面體（即 ABC）堆疊” 方式排列時(shí)，會(huì)涌現(xiàn)出新的電子特性，包括可調(diào)控的能帶結(jié)構(gòu)與非平庸拓?fù)湫再|(zhì)。

得益于這些新特性，即便未施加外部磁場(chǎng)，菱面體石墨烯中的電子也會(huì)表現(xiàn)出仿佛受到 “隱藏” 磁場(chǎng)影響的行為。盡管這一有趣現(xiàn)象已被充分證實(shí)，但要深入研究材料中電子的排布規(guī)律 —— 尤其是其自旋與能谷態(tài)指向不同方向的具體機(jī)制 —— 至今仍頗具挑戰(zhàn)。

以色列魏茨曼科學(xué)研究所的研究人員近期采用納米級(jí)超導(dǎo)量子干涉裝置（nano-SQUID），著手深入探究菱面體石墨烯中的局域磁化紋理。他們的研究成果發(fā)表于《自然物理》（Nature Physics）期刊，為理解該材料中此前觀測(cè)到的 “關(guān)聯(lián)態(tài)” 背后的物理過(guò)程提供了全新視角。

“我們的研究始于一個(gè)簡(jiǎn)單問(wèn)題：在低溫、無(wú)外磁場(chǎng)條件下，菱面體多層石墨烯中的四種同位旋自由度（兩種自旋、兩種能谷）會(huì)如何實(shí)現(xiàn)磁有序排列？” 該研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、論文資深作者伊萊澤爾多夫教授向Phys.org表示，“在這類(lèi)體系中，高態(tài)密度會(huì)引發(fā)‘類(lèi)斯通納不穩(wěn)定性’，打破常規(guī)金屬態(tài)的四重簡(jiǎn)并；隨著載流子濃度降低，會(huì)逐步形成半金屬（二重簡(jiǎn)并）與四分之一金屬（一重簡(jiǎn)并）相。這些對(duì)稱(chēng)性破缺金屬在非易失性存儲(chǔ)器領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力，也是研究‘關(guān)聯(lián)物理’的理想平臺(tái) —— 因此，解析其磁化紋理及背后電子 - 電子相互作用的能量尺度，至關(guān)重要�！�

此前多數(shù)旨在揭示菱面體石墨烯同位旋紋理的研究，均依賴(lài) “體相高磁場(chǎng)探測(cè)技術(shù)”。這類(lèi)技術(shù)雖能識(shí)別材料中的同位旋簡(jiǎn)并現(xiàn)象，但在接近零磁場(chǎng)的條件下，難以深入探究局域磁各向異性及背后的相互作用能量尺度。

為此，澤爾多夫教授團(tuán)隊(duì)在研究中采用了 “尖端納米 SQUID 探測(cè)技術(shù)”—— 本質(zhì)上是在尖銳吸管頂端構(gòu)建的微型卻超靈敏的超導(dǎo)傳感器。該傳感器在毫開(kāi)爾文（mK）溫度下運(yùn)行，使研究人員首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)多層石墨烯中 “同位旋相關(guān)磁化紋理” 的直接成像。

“我們?cè)谑噶看艌?chǎng)環(huán)境中，對(duì)雙柵極菱面體四層石墨烯器件上方數(shù)百納米區(qū)域進(jìn)行掃描，” 論文共同第一作者蘇拉吉特杜塔博士解釋道，“該傳感器靈敏度極高，可探測(cè)低至 10 納特斯拉（nT）的磁場(chǎng)強(qiáng)度。為獲取磁圖案，我們通過(guò)向柵極施加小幅交流電壓來(lái)調(diào)制電子濃度：這種微小的濃度波動(dòng)會(huì)改變樣品的磁化狀態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生局域交流雜散磁場(chǎng)，最終被尖端 SQUID 探測(cè)到�！�

研究人員最終首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)，揭示了多層菱面體石墨烯兩種 “奇異量子相” 中與方向相關(guān)的磁性（即磁各向異性）圖案規(guī)律 —— 這兩種量子相分別是 “自旋極化半金屬相” 與 “自旋 - 能谷極化四分之一金屬相”。

“我們發(fā)現(xiàn)，半金屬相中的自旋各向異性極弱 —— 僅需數(shù)十毫特斯拉（mT）的磁場(chǎng)，就能使自旋向任意方向傾斜；而在四分之一金屬相中，自旋則被強(qiáng)‘釘扎’在能谷極化的面外方向。” 杜塔博士指出。

“這種各向異性的顯著差異，讓我們能夠確定電子 - 電子相互作用能量尺度（即洪德交換耦合）的下限。盡管該能量尺度在確定‘競(jìng)爭(zhēng)對(duì)稱(chēng)性破缺態(tài)’的能量層級(jí)中起著關(guān)鍵作用，但此前在菱面體多層石墨烯體系的實(shí)驗(yàn)中，始終未能將其提取出來(lái)�！�

奧爾巴赫博士、杜塔博士、烏贊先生及其同事開(kāi)展的這項(xiàng)最新研究，凸顯了 “尖端 SQUID 器件” 在探測(cè)二維（2D）材料局域磁現(xiàn)象方面的潛力。類(lèi)似技術(shù)可用于繪制其他材料的磁化紋理圖譜，有望為未來(lái)自旋電子學(xué)與量子技術(shù)的工程化應(yīng)用提供關(guān)鍵見(jiàn)解。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員利用稀釋制冷機(jī)（基礎(chǔ)溫度約 20 毫開(kāi)爾文）完成測(cè)量。后續(xù)研究中，他們計(jì)劃逐步提高制冷設(shè)備的溫度，觀察不同溫度下磁化紋理的變化規(guī)律。

“這將讓我們精準(zhǔn)確定‘居里溫度’—— 即磁性最終消失的溫度 —— 并追蹤相應(yīng)磁各向異性的演化過(guò)程，” 澤爾多夫教授補(bǔ)充道，“除此之外，我們更長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)是：探究對(duì)稱(chēng)性破缺態(tài)中同位旋的磁有序如何影響‘整數(shù)量子反�；魻枒B(tài)’與‘分?jǐn)?shù)量子反常霍爾態(tài)’，以及它能否在整個(gè)菱面體多層石墨烯家族中誘導(dǎo)出‘非常規(guī)超導(dǎo)性’�！�

期刊信息：《自然物理》（Nature Physics）