今日《Science》：魔角石墨烯又有新突破！特殊电子态现铁磁转变

机械剥离石墨形成石墨烯为隔离和堆叠其他种类的二维材料打开了大门。其可以用来构建具有特定功能的装置。在2010年，发现在两个堆叠的石墨烯层的晶体取向之间引入扭曲可以极大地改变材料的电子特性，并且最终实现扭转角θ的精确控制。这些材料具有许多新兴的电子特性。例如，在一个特定的扭转角下发现了相关绝缘相和超导。

斯坦福大学的Aaron L. Sharpe等人证明在魔角石墨烯中，填充四分之三的单位晶胞的绝缘相是一种铁磁绝缘相，在其边界上存在导电态，表明这是一种新兴的拓扑结构。Sharpe等人观察到每个莫尔单位晶胞具有三种电子的绝缘态，即¾填充。在施加平面外磁场后，他们发现在测量的异常霍尔效应中电阻大幅增加。异常霍尔电阻强烈依赖于施加磁场的历史，即滞后现象，并且即使在场被关闭时也保持极大的信号。通过测量磁滞回线，使用它们的大小作为磁化的量度，推断出存在铁磁态。由铁磁态和巨大的异常霍尔效应得出¾填充态是铁磁绝缘体的结论。Sharpe 等人还发现了铁磁态是拓扑状态的证据。他们利用非局部电阻测量来识别边缘电流，这是拓扑相的特征。然而，完全的拓扑状态应该具有量化的异常霍尔电阻。

Sharpe 等人观察到的异常霍尔信号。它似乎强烈地依赖于魔角石墨烯样品的上层与封装的氮化硼基底取向。预计这种取向会产生能量间隙，这种能隙有助于稳定铁磁性，但也可能弱化超导状态。在先前发现相关绝缘体附近超导相的实验中没有实行这种取向。事实上Sharpe 等人并没有观察到超导性。理解氮化硼和魔角石墨烯样品之间取向的作用及其对超导性的影响仍然是一个悬而未决的问题，因为它可以提供可控地破坏不同对称性的途径。

在¾填充的相关绝缘体中铁磁性的发现，以及在-¼填充处的磁滞回线的报告，为揭示在莫尔单元晶胞的其他填充处观察到的相关绝缘状态的性质铺平了道路。下一个激动人心的方向是理解这种现象如何转化到其他的二维量子系统，如扭曲的多层石墨烯，过渡金属二硫化合物，甚至是超冷原子气体。相关状态是否与Mott绝缘体强相关，以及这些器件中的超导性质是否非常规仍有待确定。

图文速递

图1.接近魔角TBG中的相关状态。(A) TBG器件的纵向电阻Rxx(由2.15个正方形隔开的触点测量)作为载流子密度n(见上轴)和垂直位移场D(左轴)的函数，由上栅和后栅电压在2.1 K处调谐。(B) Rxx相对于n在D/D0=-0.22 V/nm处的线切割，显示了超晶格完全填充时的电阻峰，以及可能对应于中间填充时出现的相关状态的附加峰。

图2.接近四分之三填充时意外出现的铁磁性。(A)纵向电阻Rxx(上部)和霍尔电阻Ryx(下部)的磁场依赖性，n/ns=0.746, D/D0=-0.62V/nm，在30mk时，呈现出磁序引起的滞后AH效应。(B)在D/D0≈-0.6V/nm时，零场AH电阻RAHyx(红色)和普通霍尔斜率RH(蓝色)作为n/ns的函数。RAHyx峰值明显，最大值在n/ns=0.758左右，与RH变化符号一致。（C）Ryx的温度依赖性，在D/D0=-0.62V/nm和n/ns=0.74646mK和5.0K之间，表明磁滞回线随温度升高而接近。(D)胁迫场和AH电阻(使用与上文相同的拟合步骤提取)由(C)部分显示的相同数据绘制成温度的函数。

图3.非局部电阻提供手性边缘状态的证据。(A和B)三端和四端非局部电阻R54,14 (A)和R54,12 (B)，在2.1 K处测量，D/D0=-0.22V/nm，磁场向上和向下扫掠(分别为实线和虚线)。

图4.电流驱动的磁性切换。差示霍尔电阻dVyx/dI由5 nA交流偏置作为2.1 K处应用直流偏置Idc的函数测量，D/D0=-0.22V/nm, n/ns=0.749。