麻省理工学院的物理学家发现，当石墨烯以特定的五层模式堆叠时，它会呈现出独特的“多铁性”状态，展示出非常规的磁性和一种名为“铁谷性”的新型电子行为。这一发现可能为开发高容量、高能效的数据存储设备铺平道路。

　　一种新发现的电子产品五层石墨烯三明治的Nic行为可以帮助将更多数据装入磁存储设备。

　　普通的铅笔芯被削成像原子一样薄的层，具有非凡的性能。一个原子厚度的石墨薄片，被称为石墨烯，只是人类头发宽度的一小部分。在显微镜下，这种材料就像六边形晶格中由碳原子组成的铁丝网。

　　尽管石墨烯的比例很瘦，但多年来科学家们发现它非常坚固。当材料以特定的扭曲方式堆叠和扭曲时，它会呈现出令人惊讶的电子行为。

　　现在，麻省理工学院的物理学家发现了石墨烯的另一个令人惊讶的特性:当石墨烯以菱形模式堆叠成五层时，石墨烯呈现出一种非常罕见的“多铁性”状态，在这种状态下，材料既表现出非常规的磁性，又表现出一种奇特的电子行为，该团队将其称为铁谷性。

　　当石墨烯以菱形模式堆叠成五层时，它呈现出罕见的“多铁性”状态，既表现出非常规的磁性，又表现出称为铁谷性的奇异电子行为。图片来源:麻省理工学院RLE的Sampson Wilcox

　　揭示独特的石墨烯性质

　　“石墨烯是一种迷人的材料，”团队负责人、麻省理工学院物理学助理教授龙驹说。“你添加的每一层基本上都是一种新材料。现在这是我们第一次在五层石墨烯中看到铁谷性和非常规磁性。但我们在一层、两层、三层或四层中看不到这种特性。”

　　这一发现可以帮助工程师们为经典计算机和量子计算机设计超低功耗、高容量的数据存储设备。

　　“在一种材料中具有多铁性意味着，如果它可以节省能量和时间来写入磁性硬盘驱动器，那么与传统设备相比，你也可以存储两倍的信息量，”Ju说。

　　他的团队在即将出版的《自然》杂志上发表了他们的发现。麻省理工学院的共同作者包括主要作者韩通航、卢正光、韩天一和付亮;与哈佛大学的合作者Giovanni Scuri、Jiho Sung、juue Wang和Hongkun Park一起;以及日本国立材料科学研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi。

　　了解铁的行为

　　铁性材料是在其电、磁或结构特性上表现出某种协调行为的材料。磁铁是铁性材料的一个常见例子:它的电子可以在没有外部磁场的情况下协调以同一方向旋转。结果，磁体会自发地指向空间中的首选方向。

　　其他材料可以通过不同的方法获得铁性。但只有少数被发现是多铁性的——这是一种罕见的状态，在这种状态下，多种性质可以协调表现出多种首选状态。在传统的多铁性材料中，除了磁铁指向一个方向外，电荷也会朝着与磁性方向无关的方向移动。

　　多铁性材料在电子领域引起了人们的兴趣，因为它们有可能提高硬盘驱动器的速度并降低其能源成本。磁性硬盘驱动器以磁域的形式存储数据——本质上是一种微小的磁体，根据其磁性方向，读取为1或0。磁铁是通过电流来切换的，这消耗了大量的能量，不能快速运行。如果可以用多铁性材料制造存储设备，则可以通过更快、更低功率的电场来切换畴。Ju和他的同事们对石墨烯中是否会出现多铁性行为感到好奇。这种材料的极薄结构是一个独特的环境，在这个环境中，研究人员发现了其他隐藏的量子相互作用。Ju特别想知道，当石墨烯在特定条件和配置下排列时，其电子之间是否会显示出多铁性和协调行为。

　　“我们正在寻找电子减速的环境——它们与周围原子晶格的相互作用很小，这样它们与其他电子的相互作用就可以通过，”Ju解释说。“那时我们才有机会看到有趣的电子集体行为。”

　　该团队进行了一些简单的计算，发现电子之间的一些协调行为应该出现在五层石墨烯层以菱形模式堆叠在一起的结构中。(想想五块铁丝网，堆叠在一起，稍微移动，从顶部看，结构就像钻石的图案。)

　　“在五层中，电子恰好处于晶格环境中，它们移动非常缓慢，因此它们可以有效地与其他电子相互作用，”Ju说。“这就是电子相关效应开始占主导地位的时候，它们可以开始协调成某些首选的铁序。”

　　魔幻片

　　研究人员随后进入实验室，看看他们是否真的能观察到五层石墨烯的多铁性行为。在他们的实验中，他们从一小块石墨开始，仔细地从石墨上剥离出薄片。他们使用光学技术检查每片薄片，特别寻找自然排列成菱形图案的五层薄片。

　　“在某种程度上，大自然发挥了神奇的作用，”主要作者、研究生韩说。“我们可以看到所有这些薄片，并在这个菱形堆叠中分辨出哪个有五层，这应该会给你带来电子减速效应。”

　　研究小组分离了几个五层薄片，并在略高于绝对零度的温度下对它们进行了研究。在这种超低温条件下，所有其他效应，如石墨烯内部的热诱导紊乱，都应该被抑制，从而允许电子之间的相互作用出现。研究人员测量了电子对电场和磁场的反应，发现确实出现了两种铁序，或一组协调行为。

　　第一个铁性质是一种非常规的磁性:电子协调它们的轨道运动，就像行星沿同一方向旋转一样。(在传统的磁铁中，电子协调它们的“自旋”——在相同的方向上旋转，同时在空间中保持相对固定。)

　　第二个铁性质与石墨烯的电子“谷”有关。在每一种导电材料中，电子都能占据一定的能级。谷表示电子可以自然沉降的最低能态。事实证明，石墨烯中有两个可能的谷。通常情况下，电子对任何一个谷都没有偏好，而是均匀地进入两个谷。

　　但在五层石墨烯中，研究小组发现电子开始协调，并倾向于在一个谷中定居。这第二种协调行为表明了一种铁性，结合电子的非常规磁性，使结构具有罕见的多铁性状态。

　　“我们知道在这个结构中会发生一些有趣的事情，但我们不知道确切的是什么，直到我们测试它，”共同第一作者陆说，他是Ju小组的博士后。“这是我们第一次看到铁谷电子学，也是我们第一次看到铁谷电子学与非常规铁磁铁共存。”

　　研究小组表明，他们可以使用电场来控制这两种铁的性质。他们设想，如果工程师可以将五层石墨烯或类似的多铁性材料整合到存储芯片中，原则上，他们可以使用相同的低功率电场以两种而不是一种方式操纵材料的电子，与传统的多铁性材料相比，可以有效地将存储在芯片上的数据增加一倍。虽然这一愿景离实际实现还很遥远，但该团队的研究结果在寻找更好、更高效的电子、磁性和谷电子设备方面开辟了新天地。

　　参考文献:“五层菱形石墨烯的轨道多铁性”，2023年10月18日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 023 - 06572 - w

　　这项研究部分由美国国家科学基金会和斯隆基金会资助。