自15年前发现石墨烯以来，在全球范围内的研究人员正在加紧探索其独特属性。石墨烯，这种以六原子晶格排列的单原子厚的碳片，不仅是已知的最坚固、最薄的材料，而且还是一种出色的传热和传电的导体。
现在，哥伦比亚大学和华盛顿大学的一组研究人员发现，三层石墨烯结构中会出现各种奇特的电子态，包括稀有形式的磁性。该研究发现发表在这一期的《自然-物理学》上。
论文作者中有五位中国学者，其中，论文主导之一、许晓冬（Xiaodong Xu）中国科技大学2002年毕业，现为华盛顿大学物理与材料科学与工程系教授，论文主要作者陈晓文（Shaowen Chen）为哥伦比亚大学研究生，何敏浩（Minhao He）为华盛顿大学研究生。
如图所示扭曲堆叠单层和双层石墨烯片会导致新的集体电子态，包括罕见的磁性形式。
这项工作的灵感来自对石墨烯的扭曲单层或扭曲双层的最新研究，该研究包括两层或四层石墨烯。发现这些材料具有一系列不寻常的电子态，这些态由电子之间的强相互作用驱动。
哥伦比亚大学物理学教授，论文的资深作者之一科里·迪恩说：“我们想知道如果将石墨烯单层和双层结合到一个扭曲的三层系统中会发生什么。” “我们发现，改变石墨烯层的数量使这些复合材料具有一些以前从未见过的令人兴奋的新特性。”
为了进行实验，研究人员将石墨烯的单层片材堆叠到双层片材上，并扭曲了大约1度。在高于绝对零值几度的温度下，研究小组观察到由电子之间的强相互作用驱动的一系列不导电的绝缘状态。他们还发现，可以通过在石墨烯片上施加电场来控制这些状态。研究人员了解到，施加电场的方向非常重要。
当研究人员将电场指向单层石墨烯片时，该系统类似于扭曲的双层石墨烯。但是，当他们翻转电场方向并将其指向双层石墨烯片时，它模仿了扭曲的双层双层石墨烯-四层结构。
研究小组还发现了系统中的新磁性状态。他们观察到，与传统的磁体受称为“自旋”的电子的量子力学特性驱动，传统的磁体不同，该团队三层结构中电子的集体回旋运动是磁性的基础。
最近，其他研究团队在位于氮化硼晶体上的各种石墨烯结构中发现了这种磁性形式。该团队现已证明，在完全由石墨烯构成的更简单的系统中也可以观察到它。
研究人员指出，“纯碳不是磁性的，”“值得注意的是，我们可以通过将三个石墨烯片恰好以正确的扭曲角度布置来实现这一特性。”
除了磁性，这项研究还发现了结构中的拓扑迹象。与在绳索中打结不同类型的结类似，这种材料的拓扑特性可能会导致信息存储的新形式，许教授说，“它可能是量子计算的平台或新型的节能数据存储应用程序。”
目前，他们正在进一步实验，以了解它们在该平台中发现的新状态的基本特性。
参考：Electrically tunable correlated and topological states in twisted monolayer–bilayer graphene,Nature Physics.DOI: 10.1038/s41567-020-01062-6
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