堆疊和扭曲石墨烯可釋放稀有形式的磁性

自15年前發現石墨烯以來，研究人員一直在全球范圍內探索其獨特性能。石墨烯(一種以六角形晶格排列的單原子厚的碳片)不僅是人類已知的最堅固，最薄的材料，而且還是熱和電的絕佳導體。

現在，哥倫比亞大學和華盛頓大學的一組研究人員發現，三層石墨烯結構中可能會出現各種奇特的電子態，包括稀有形式的磁性。

該發現發表在10月12日《自然物理學》上的一篇文章中。

這項工作的靈感來自對石墨烯的扭曲單層或扭曲雙層的最新研究，該研究包括兩層或四層石墨烯。發現這些材料具有一系列不尋常的電子態，這些態由電子之間的強相互作用驅動。

哥倫比亞大學物理學教授，論文的資深作者之一科里·迪恩說：“我們想知道如果將石墨烯單層和雙層結合到一個扭曲的三層系統中會發生什么。” “我們發現改變石墨烯層的數量使這些復合材料具有一些以前從未見過的令人興奮的新特性。”

除院長外，華盛頓大學物理學和材料科學與工程系的助理教授Matthew Yankowitz教授和Xu Xiaodong Xu教授是這項工作的資深作者。哥倫比亞大學的研究生Chenowen Chen和華盛頓大學的研究生Minhao He是該論文的共同主要作者。

為了進行實驗，研究人員將石墨烯的單層片材堆疊到雙層片材上，并扭曲了大約1度。在高于絕對零值幾度的溫度下，研究小組觀察到由電子之間的強相互作用驅動的一系列絕緣狀態(不導電)。他們還發現，可以通過在石墨烯片上施加電場來控制這些狀態。

“我們了解到，施加電場的方向非常重要，”也是Dean研究小組的前博士后研究員的揚科維茨說。

當研究人員將電場指向單層石墨烯片時，該系統類似于扭曲的雙層石墨烯。但是，當他們翻轉電場方向并將其指向雙層石墨烯片時，它模仿了扭曲的雙層雙層石墨烯-四層結構。

研究小組還發現了系統中的新磁性狀態。他們觀察到，與傳統的磁體受稱為“自旋”的電子的量子力學特性驅動，傳統的磁體不同，該團隊三層結構中電子的集體回旋運動是磁性的基礎。

最近，其他研究人員在位于氮化硼晶體上的各種石墨烯結構中發現了這種磁性形式。該團隊現已證明，在完全由石墨烯構成的更簡單的系統中也可以觀察到它。

“純碳不是磁性的，”揚科維茨說。“值得注意的是，我們可以通過將三個石墨烯片恰好以正確的扭曲角度布置來實現這一特性。”

除了磁性，這項研究還發現了結構中的拓撲跡象。與在繩索中打結不同類型的結類似，這種材料的拓撲特性可能會導致新形式的信息存儲，“這可能是量子計算的平臺或新型的節能數據存儲應用，” Xu說。

目前，他們正在進行實驗，以進一步了解他們在該平臺中發現的新狀態的基本特性。揚科維茨說：“這實際上僅僅是開始。”