作者:布朗大学凯文·史黛西
当“魔角”石墨烯层(底部)与某些过渡金属层接触时，会在石墨烯层中诱发一种称为自旋轨道耦合的现象
这种现象产生了令人惊讶的物理学，包括铁磁性
学分:李实验室/布朗大学 当两片碳纳米材料石墨烯以特定的角度相互堆叠在一起时，就会产生一些迷人的物理现象
例如，当这种所谓的“魔角石墨烯”冷却到接近绝对零度时，它突然变成超导体，这意味着它以零电阻导电
现在，布朗大学的一个研究小组发现了一个令人惊讶的新现象，它可能出现在魔角石墨烯中
在发表在《科学》杂志上的研究中，该团队表明，通过诱导一种被称为自旋轨道耦合的现象，魔角石墨烯变成了一种强大的铁磁体
布朗大学物理学助理教授、该研究的资深作者李嘉说:“在凝聚态物理中，磁性和超导通常处于光谱的两端，它们很少出现在同一材料平台上。”
“然而，我们已经表明，我们可以在一个原本拥有超导性的系统中创造磁性
这为我们研究超导性和磁性之间的相互作用提供了新的途径，也为量子科学研究提供了令人兴奋的新可能性
" 近年来，魔角石墨烯在物理学界引起了不小的轰动
石墨烯是一种二维材料，由排列成蜂窝状图案的碳原子组成
单层石墨烯本身就很有趣——显示出非凡的材料强度和极高的电导率
但是当石墨烯片堆叠在一起时，事情变得更加有趣
电子不仅开始与石墨烯片中的其他电子相互作用，还开始与相邻石墨烯片中的电子相互作用
改变薄片相对于彼此的角度会改变这些相互作用，从而产生有趣的量子现象，如超导
这项新的研究给这个已经很有趣的系统增加了一个新的难题——自旋轨道耦合
自旋轨道耦合是某些材料中电子行为的一种状态，其中每个电子的自旋——指向上或下的微小磁矩——与它围绕原子核的轨道相关联
布朗大学博士后研究员、该研究的第一作者蒋林说:“我们知道，自旋轨道耦合会产生各种有趣的量子现象，但通常不会出现在魔角石墨烯中。”
“我们想引入自旋轨道耦合，然后看看它对系统有什么影响
" 为了做到这一点，李和他的团队将魔角石墨烯与一块钨二硒化物(一种具有强自旋轨道耦合的材料)相结合
对准叠层会在石墨烯中精确诱导自旋轨道耦合
从那里，研究小组用外部电流和磁场探测了这个系统
实验表明，在存在外部磁场的情况下，沿一个方向流过材料的电流在垂直于电流的方向上产生电压
这个电压被称为霍尔效应，是材料中固有磁场的信号
令研究团队非常惊讶的是，他们发现可以使用外部磁场来控制磁性状态，该磁场要么位于石墨烯平面内，要么位于平面外
这与没有自旋轨道耦合的磁性材料形成对比，在磁性材料中，只有当外部磁场沿着磁性方向排列时，才能控制固有磁性
来自哈佛大学的理论物理学家张亚辉(Yahui Zhang)说:“这一观察表明，自旋-轨道耦合确实存在，并为建立一个理论模型来理解原子界面的影响提供了线索。”他曾与布朗大学的团队合作，了解与观察到的磁性相关的物理
“自旋-轨道耦合的独特影响给了科学家们一个新的实验旋钮，以努力理解魔角g·拉芬的行为，”执行了一些实验工作的布朗大学研究生艾琳·莫里塞特说
“这些发现还具有新设备应用的潜力
" 一个可能的应用是在计算机内存中
研究小组发现，魔角石墨烯的磁性可以通过外部磁场和电场来控制
这将使这个二维系统成为具有灵活读/写选项的磁存储设备的理想候选
研究人员说，另一个潜在的应用是量子计算
铁磁体和超导体之间的界面被认为是量子计算机的潜在构件
然而，问题是这种界面很难形成，因为磁铁通常会破坏超导性
但是一种同时具有铁磁性和超导性的材料可以提供一种创造这种界面的方法
“我们正在努力利用原子界面来同时稳定超导性和铁磁性，”李说
“这两种现象的共存在物理学中是罕见的，它肯定会解锁更多的兴奋
"
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