來自美國布朗大學(xué)的J. I. A.Li等研究者，分析了強電子關(guān)聯(lián)和自旋軌道耦合對雙層石墨烯和二硒化鎢晶體原子界面上二維電子系統(tǒng)的聯(lián)合影響。相關(guān)論文以題為“Spin-orbit–driven ferromagnetism at half moiré filling in magic-angle twisted bilayer graphene”發(fā)表在Science上。

論文鏈接： https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh2889

范德華(vdW) moiré結(jié)構(gòu)是一個有趣的平臺，可用于探索二維(2D)電子系統(tǒng)中相關(guān)、拓撲和破缺對稱的相互作用。兩層vdW晶體之間的旋轉(zhuǎn)排列，產(chǎn)生了一個平坦的moiré能帶，在這個能帶中，強庫侖相關(guān)在大量的出現(xiàn)量子現(xiàn)象中起著主導(dǎo)作用。在石墨烯moiré結(jié)構(gòu)中，打破C2T對稱性，可以在四分之一和四分之三填充時穩(wěn)定自發(fā)軌道鐵磁，表現(xiàn)為具有滯后開關(guān)躍移的穩(wěn)健反常霍爾效應(yīng)(AHE)。與1/4和3/4的填充物不同，在半填充物moiré能帶上的潛在軌道鐵磁態(tài)具有自旋非極化邊緣模式，能夠沿著鐵磁體/超導(dǎo)體界面近似進行超導(dǎo)配對。這樣的結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是實現(xiàn)馬約拉納模式的關(guān)鍵。然而，由于谷間洪德耦合，軌道鐵磁體被預(yù)測在扭曲的石墨烯結(jié)構(gòu)中是不利的。

自旋軌道耦合(SOC)，作為形成某些拓撲相的基本成分，為moiré結(jié)構(gòu)的拓撲特性設(shè)計提供了一個額外的實驗旋鈕。最近，有研究者提出SOC賦予moiré能帶非零Berry曲率，使半moiré的鐵磁有序填充了不與六方氮化硼(hBN)襯底排列的可能性。與塊體材料不同，需要調(diào)整化學(xué)成分來產(chǎn)生自旋軌道鎖定，在vdW結(jié)構(gòu)中存在另一種通過接近效應(yīng)的途徑。石墨烯與過渡金屬二鹵代化物晶體(例如二硒化鎢(WSe2))之間的緊密接觸，使得兩種晶體的電子波函數(shù)重疊和雜化，賦予石墨烯強大的SOC。

在這項工作中，研究者使用輸運測量，檢查了近致SOC對moiré能帶及其相關(guān)量子相性質(zhì)的影響。研究者發(fā)現(xiàn)，在moiré平面帶內(nèi)的強電子相關(guān)性穩(wěn)定了相關(guān)的絕緣狀態(tài)，在四分之一和半填充時，SOC將這些類似mott的絕緣子轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁體，這可以從具有滯后開關(guān)行為的穩(wěn)健反?；魻栃?yīng)得到證明。自旋和谷自由度之間的耦合，可以通過平面內(nèi)磁場或垂直電場控制磁序來實現(xiàn)。該研究結(jié)果建立了一個實驗旋鈕，可用于設(shè)計扭曲雙層石墨烯及其相關(guān)體系中moiré帶的拓撲特性。

圖1 從tBLG/WSe2界面出現(xiàn)的鐵磁秩序。

圖2 利用面內(nèi)磁場控制磁序。

圖3 位移場依賴。

圖4 同位旋順序和無超導(dǎo)性。

盡管輸運測量本身不能確定SOC對魔角附近超導(dǎo)相的影響，但該結(jié)果可對未來的理論和實驗工作以啟發(fā)，以研究SOC對moiré結(jié)構(gòu)的影響，作為石墨烯扭曲角和石墨烯/WSe2錯位函數(shù)。

審核編輯 ：李倩