作者:斯坦福大学的克尔坦 亚伦·夏普拿着一个在斯坦福纳米共享设施洁净室制作的扭曲双层石墨烯成品
信用:Ker Than 有时候，最好的发现发生在科学家最意想不到的时候
在试图复制另一个团队的发现时，斯坦福大学的物理学家最近偶然发现了一种新形式的磁性，这种磁性是预测到的，但以前从未见过，这种磁性是在两个蜂窝状碳晶格小心堆叠并旋转到特定角度时产生的
作者建议称之为轨道铁磁性的磁性可以被证明对某些应用有用，比如量子计算
该小组在7月25日的《科学》杂志上描述了他们的发现
“我们的目标不是磁性
“通过部分有针对性和部分偶然的探索，我们发现了迄今为止我职业生涯中最激动人心的事情，”研究负责人、斯坦福大学人文科学学院的物理学教授大卫·戈德哈伯-戈登说
“我们的发现表明，最有趣的事情有时会变成惊喜
" 斯坦福大学的研究人员在试图重现一项在物理学界引起轩然大波的发现时无意中发现了这一点
2018年初，巴勃罗·贾里洛-赫雷罗在麻省理工学院的团队宣布，他们已经成功地让两个细微错位的碳原子薄片——扭曲的双层石墨烯——无电阻导电，这种特性被称为超导性
这一发现令人震惊地证实了近十年前的预测，即石墨烯片旋转到一个非常特殊的角度，应该会呈现出有趣的现象
当堆叠和扭曲时，石墨烯形成了具有重复干涉或莫尔图案的超晶格
“这就像你演奏两个频率稍有不同的音乐音调，”戈德哈伯-戈登说
“你会得到两者之间的节拍，这与它们的频率差有关
这类似于你把两个格子叠在一起，然后扭曲它们，使它们不完全对齐
" 物理学家推测，当石墨烯旋转到1°时，会形成特殊的超晶格
1度会导致材料中通常变化的电子能态崩溃，产生他们所谓的平带，电子运动的速度下降到接近零
这样慢下来，任何一个电子的运动都变得高度依赖于它附近其他电子的运动
这些相互作用是许多奇异物质量子态的核心
“我认为在这个系统中发现超导性是惊人的
这超出了任何人的预期，”戈德哈伯-戈登说
“但我也觉得还有很多东西需要探索，还有很多问题需要回答，所以我们开始尝试复制这部作品，然后看看我们如何在此基础上再接再厉。”
" 组装堆叠结构的光学显微照片，该结构由夹在由六方氮化硼制成的两个保护层之间的两个石墨烯片组成
功劳:亚伦·夏普 一系列幸运的事件 在试图复制麻省理工学院团队的结果时，戈德哈伯-戈登和他的团队引入了两个看似不重要的变化
首先，当将蜂窝状碳晶格封装在六方氮化硼薄层中时，研究人员无意中将其中一层保护层旋转成与扭曲的双层石墨烯几乎对齐
戈德哈伯-戈登实验室的研究生、该研究的第一作者亚伦·夏普说:“事实证明，如果你将氮化硼晶格与石墨烯的晶格几乎对齐，就会极大地改变扭曲的双层石墨烯的电学性质。”
其次，该组有意超过两个石墨烯片之间的旋转角度
而不是1
1度，他们瞄准了1
17度，因为其他人最近表明，扭曲的石墨烯片在制造过程中倾向于沉降成较小的角度
“我们认为如果我们的目标是1
17度，然后它会回到1度
1度，我们会幸福的，”戈德哈伯-戈登说
“相反，我们得到了1
2度
" 异常信号 这些微小变化的后果直到斯坦福大学的研究人员开始测试他们扭曲的石墨烯样本的特性后才变得明显
特别是，他们想研究当它的平带——电子缓慢接近零的状态集合——被电子填满或清空时，它的磁性如何变化
从左到右，亚伦·夏普、大卫·戈德哈伯-戈登和伊莱·福克斯利用他们自制的转移平台组装石墨烯异质结构
信用:Ker Than 夏普在将电子注入冷却到接近绝对零度的样品时，检测到了一个很大的垂直于电流方向的电压，此时平带已经满了四分之三
这种电压被称为霍尔电压，通常只在有外部磁场的情况下才会出现，但在这种情况下，即使在外部磁场关闭后，电压仍然存在
这种反常的霍尔效应只有在石墨烯样本产生自身内部磁场的情况下才能得到解释
此外，这个磁场不可能像磁性材料的典型情况那样，是电子向上或向下自旋状态排列的结果，而是一定是由它们协调的轨道运动产生的
“据我们所知，这是材料中轨道铁磁性的第一个已知例子，”戈德哈伯-戈登说
“如果磁性是由于自旋极化，你不会期望看到霍尔效应
我们不仅看到了霍尔效应，还看到了巨大的霍尔效应
" 弱点中的优势 研究人员估计，他们扭曲的石墨烯样本表面附近的磁场比传统的冰箱磁体弱大约一百万倍，但这种弱点在某些情况下可能是一种优势，例如为量子计算机构建内存
“我们的磁性双层石墨烯可以用非常低的功率打开，并且可以非常容易地用电子方式读取，”戈德哈伯-戈登说
“事实上，没有一个大的磁场从材料中向外延伸，这意味着你可以把磁性粒子非常紧密地放在一起，而不用担心干扰
" 戈德哈伯-戈登的实验室还没有探索完扭曲的双层石墨烯
该小组计划使用最近改进的制造技术制造更多样品，以进一步研究轨道磁性
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