今日2篇Nature：又是曹原导师！又是魔角石墨烯！又一次颠覆传统认知！

1+1>2，合作共赢，似乎成为了量子材料领域比较普适的法则。在量子材料中，那些在多个自由度或能量尺度上达到微妙平衡的现象，是凝聚态物理研究的基本兴趣。

当具有相似晶格常数的两个单层石墨烯垂直堆叠且略微未对准时，则会呈现出周期性莫尔图案，从而改变材料的电子态和相变，产生新颖的物理性质。2018年3月，麻省理工学院PabloJarillo-Herrero课题组（曹原在MIT的博士生导师）在~1.1°魔角扭曲的双层石墨烯中发现新的电子态，可以简单实现绝缘体到超导体的转变，打开了非常规超导体研究的大门。

这个全新的发现，把石墨烯推向了新的发展高度，也将二维莫尔超晶格推向了前沿研究的制高点。

今日，麻省理工学院Pablo Jarillo-Herrero和加州大学圣芭芭拉分校A. F. Young等人，基于魔角石墨烯的莫尔超晶格同期发表2篇Nature，分别报道了非常规的铁电性和磁性控制，为新一代量子材料和电子器件的革新带来了新的方向。

1. Nature：发现超常规铁电性

铁电材料通常由晶胞内正负电荷的平均中心之间的空间分隔形成，具有可电切换的电偶极子。一般而言，石墨烯（仅由碳原子组成的材料）并不会表现出铁电性。

然而，麻省理工学院Pablo Jarillo-Herrero和Qiong Ma等人在基于石墨烯的莫尔异质结构中发现非常规铁电性能。他们发现，在两个六方氮化硼层之间的伯纳尔堆叠双层石墨烯中，实现了可切换的铁电。

研究人员发现，通过使双层石墨烯与顶部或底部氮化硼晶体对齐，引入莫尔超晶格电势后，石墨烯电阻具有明显的磁滞行为。测试结果发现了位移场和电子填充的响应函数无比惊人，超出了常规铁电体的范围。进一步，研究人员利用非局部单层石墨烯传感器直接探测铁电极化，发现在双层石墨烯/氮化硼莫尔系统中，存在一种非常规的奇偶校验电子排序。

这种新兴的莫尔铁电特性，有望实现超快速，可编程且原子级超薄的碳基存储设备。

2. Nature：发现超常规磁性切换

磁性，通常来源于费米统计和排斥性库仑相互作用的共同作用，从而有利于实现非零电子自旋的基态。长期以来，自旋磁性只能通过电场间接控制

有鉴于此，加州大学圣芭芭拉分校A. F. Young等人首次通过实验实现了在轨道Chern绝缘子中对磁态的直接电场控制。在该磁性体系中，非平整带拓扑结构有利于轨道角动量的长程阶数，但自旋仍然存在无序。

研究人员使用双层旋转堆叠的石墨烯组成的范德华异质结作为研究对象，以实现狭窄且拓扑学上不重要的谷投影莫尔微带。在这些带内，每个摩尔单元晶胞填充1到3个电子时，就能观察到量子反常霍尔效应，其横向电阻大约等于h/2e²（其中h是普朗克常数，e是电子上的电荷），表明系统自发极化为Chern数等于2的单谷投影带。当每个摩尔单位晶胞中填充3个电子时，可以通过对化学势的场效应控制来逆转量子反常霍尔效应的征兆。

这种转变具有一定的滞后性，可以用来证明非易失性电场引起的磁态逆转。理论分析表明，这种效应是由拓扑边缘状态引起的，该状态驱动磁化特征的变化，进而促进更有利的磁状态发生逆转。

总之，通过电压对磁态的直接控制，可用于对手性边缘态的非易失性磁畴结构进行电图案化，在可重构微波电路元件以至于超低功耗磁存储器领域都具有重要应用前景。

1.Zhiren Zheng et al. Unconventional ferroelectricity in moiré heterostructures.Nature 2020.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2970-9

2.H. Polshyn et al. Electrical switching of magnetic order in an orbital Cherninsulator. Nature 2020.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2963-8

信息来源：纳米人

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