堆叠和扭曲石墨烯可释放稀有形式的磁性

自15年前发现石墨烯以来，研究人员一直在全球范围内探索其独特性能。石墨烯(一种以六角形晶格排列的单原子厚的碳片)不仅是人类已知的最坚固，最薄的材料，而且还是热和电的绝佳导体。

现在，哥伦比亚大学和华盛顿大学的一组研究人员发现，三层石墨烯结构中可能会出现各种奇特的电子态，包括稀有形式的磁性。

该发现发表在10月12日《自然物理学》上的一篇文章中。

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。”

除院长外，华盛顿大学物理学和材料科学与工程系的助理教授Matthew Yankowitz教授和Xu Xiaodong Xu教授是这项工作的资深作者。哥伦比亚大学的研究生Chenowen Chen和华盛顿大学的研究生Minhao He是该论文的共同主要作者。

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绝缘状态(不导电)。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。

“我们了解到，施加电场的方向非常重要，”也是Dean研究小组的前博士后研究员的扬科维茨说。

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，其他研究人员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。

“纯碳不是磁性的，”扬科维茨说。“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新形式的信息存储，“这可能是量子计算的平台或新型的节能数据存储应用，” Xu说。

目前，他们正在进行实验，以进一步了解他们在该平台中发现的新状态的基本特性。扬科维茨说：“这实际上仅仅是开始。”