來(lái)自美國(guó)布朗大學(xué)的J. I. A.Li等研究者，分析了強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)和自旋軌道耦合對(duì)雙層石墨烯和二硒化鎢晶體原子界面上二維電子系統(tǒng)的聯(lián)合影響。相關(guān)論文以題為“Spin-orbit–driven ferromagnetism at half moiré filling in magic-angle twisted bilayer graphene”發(fā)表在Science上。

論文鏈接： https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh2889

范德華(vdW) moiré結(jié)構(gòu)是一個(gè)有趣的平臺(tái)，可用于探索二維(2D)電子系統(tǒng)中相關(guān)、拓?fù)浜推迫睂?duì)稱(chēng)的相互作用。兩層vdW晶體之間的旋轉(zhuǎn)排列，產(chǎn)生了一個(gè)平坦的moiré能帶，在這個(gè)能帶中，強(qiáng)庫(kù)侖相關(guān)在大量的出現(xiàn)量子現(xiàn)象中起著主導(dǎo)作用。在石墨烯moiré結(jié)構(gòu)中，打破C2T對(duì)稱(chēng)性，可以在四分之一和四分之三填充時(shí)穩(wěn)定自發(fā)軌道鐵磁，表現(xiàn)為具有滯后開(kāi)關(guān)躍移的穩(wěn)健反?；魻栃?yīng)(AHE)。與1/4和3/4的填充物不同，在半填充物moiré能帶上的潛在軌道鐵磁態(tài)具有自旋非極化邊緣模式，能夠沿著鐵磁體/超導(dǎo)體界面近似進(jìn)行超導(dǎo)配對(duì)。這樣的結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)馬約拉納模式的關(guān)鍵。然而，由于谷間洪德耦合，軌道鐵磁體被預(yù)測(cè)在扭曲的石墨烯結(jié)構(gòu)中是不利的。

自旋軌道耦合(SOC)，作為形成某些拓?fù)湎嗟幕境煞?，為moiré結(jié)構(gòu)的拓?fù)涮匦栽O(shè)計(jì)提供了一個(gè)額外的實(shí)驗(yàn)旋鈕。最近，有研究者提出SOC賦予moiré能帶非零Berry曲率，使半moiré的鐵磁有序填充了不與六方氮化硼(hBN)襯底排列的可能性。與塊體材料不同，需要調(diào)整化學(xué)成分來(lái)產(chǎn)生自旋軌道鎖定，在vdW結(jié)構(gòu)中存在另一種通過(guò)接近效應(yīng)的途徑。石墨烯與過(guò)渡金屬二鹵代化物晶體(例如二硒化鎢(WSe2))之間的緊密接觸，使得兩種晶體的電子波函數(shù)重疊和雜化，賦予石墨烯強(qiáng)大的SOC。

在這項(xiàng)工作中，研究者使用輸運(yùn)測(cè)量，檢查了近致SOC對(duì)moiré能帶及其相關(guān)量子相性質(zhì)的影響。研究者發(fā)現(xiàn)，在moiré平面帶內(nèi)的強(qiáng)電子相關(guān)性穩(wěn)定了相關(guān)的絕緣狀態(tài)，在四分之一和半填充時(shí)，SOC將這些類(lèi)似mott的絕緣子轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁體，這可以從具有滯后開(kāi)關(guān)行為的穩(wěn)健反?；魻栃?yīng)得到證明。自旋和谷自由度之間的耦合，可以通過(guò)平面內(nèi)磁場(chǎng)或垂直電場(chǎng)控制磁序來(lái)實(shí)現(xiàn)。該研究結(jié)果建立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)旋鈕，可用于設(shè)計(jì)扭曲雙層石墨烯及其相關(guān)體系中moiré帶的拓?fù)涮匦浴?/p>

圖1 從tBLG/WSe2界面出現(xiàn)的鐵磁秩序。

圖2 利用面內(nèi)磁場(chǎng)控制磁序。

圖3 位移場(chǎng)依賴(lài)。

圖4 同位旋順序和無(wú)超導(dǎo)性。

盡管輸運(yùn)測(cè)量本身不能確定SOC對(duì)魔角附近超導(dǎo)相的影響，但該結(jié)果可對(duì)未來(lái)的理論和實(shí)驗(yàn)工作以啟發(fā)，以研究SOC對(duì)moiré結(jié)構(gòu)的影響，作為石墨烯扭曲角和石墨烯/WSe2錯(cuò)位函數(shù)。

審核編輯 ：李倩