超灵敏传感器绘制菱面体石墨烯中的磁化纹理图谱

研究绘制菱面体石墨烯中的磁化纹理图谱

对称性破缺态的局域磁测量：下图为尖端搭载纳米超导量子干涉装置（nano-SQUID）环扫描器件，呈现局域磁化图案；插图为尖端顶点处制备的 SQUID 环扫描电子显微镜图像。下图为自旋倾斜角 θ=±45° 时，对称性破缺半金属相中的交流磁信号实空间图谱。样品相对边缘（虚线处）的磁信号极性相反。样品内部的蓝色圆形区域为制备残留聚合物形成的气泡。

图片来源：伊莱泽尔多夫（Eli Zeldov）教授与苏拉吉特杜塔（Surajit Dutta）博士

石墨烯由单层呈六边形晶格排列的碳原子构成，是一种应用广泛的材料，以优异的电学和力学性能著称。当石墨烯以所谓的 “菱面体（即 ABC）堆叠” 方式排列时，会涌现出新的电子特性，包括可调控的能带结构与非平庸拓扑性质。

得益于这些新特性，即便未施加外部磁场，菱面体石墨烯中的电子也会表现出仿佛受到 “隐藏” 磁场影响的行为。尽管这一有趣现象已被充分证实，但要深入研究材料中电子的排布规律 —— 尤其是其自旋与能谷态指向不同方向的具体机制 —— 至今仍颇具挑战。

以色列魏茨曼科学研究所的研究人员近期采用纳米级超导量子干涉装置（nano-SQUID），着手深入探究菱面体石墨烯中的局域磁化纹理。他们的研究成果发表于《自然物理》（Nature Physics）期刊，为理解该材料中此前观测到的 “关联态” 背后的物理过程提供了全新视角。

“我们的研究始于一个简单问题：在低温、无外磁场条件下，菱面体多层石墨烯中的四种同位旋自由度（两种自旋、两种能谷）会如何实现磁有序排列？” 该研究团队负责人、论文资深作者伊莱泽尔多夫教授向Phys.org表示，“在这类体系中，高态密度会引发‘类斯通纳不稳定性’，打破常规金属态的四重简并；随着载流子浓度降低，会逐步形成半金属（二重简并）与四分之一金属（一重简并）相。这些对称性破缺金属在非易失性存储器领域极具应用潜力，也是研究‘关联物理’的理想平台 —— 因此，解析其磁化纹理及背后电子 - 电子相互作用的能量尺度，至关重要。”

此前多数旨在揭示菱面体石墨烯同位旋纹理的研究，均依赖 “体相高磁场探测技术”。这类技术虽能识别材料中的同位旋简并现象，但在接近零磁场的条件下，难以深入探究局域磁各向异性及背后的相互作用能量尺度。

为此，泽尔多夫教授团队在研究中采用了 “尖端纳米 SQUID 探测技术”—— 本质上是在尖锐吸管顶端构建的微型却超灵敏的超导传感器。该传感器在毫开尔文（mK）温度下运行，使研究人员首次实现了对多层石墨烯中 “同位旋相关磁化纹理” 的直接成像。

“我们在矢量磁场环境中，对双栅极菱面体四层石墨烯器件上方数百纳米区域进行扫描，” 论文共同第一作者苏拉吉特杜塔博士解释道，“该传感器灵敏度极高，可探测低至 10 纳特斯拉（nT）的磁场强度。为获取磁图案，我们通过向栅极施加小幅交流电压来调制电子浓度：这种微小的浓度波动会改变样品的磁化状态，进而产生局域交流杂散磁场，最终被尖端 SQUID 探测到。”

研究人员最终首次通过实验，揭示了多层菱面体石墨烯两种 “奇异量子相” 中与方向相关的磁性（即磁各向异性）图案规律 —— 这两种量子相分别是 “自旋极化半金属相” 与 “自旋 - 能谷极化四分之一金属相”。

“我们发现，半金属相中的自旋各向异性极弱 —— 仅需数十毫特斯拉（mT）的磁场，就能使自旋向任意方向倾斜；而在四分之一金属相中，自旋则被强‘钉扎’在能谷极化的面外方向。” 杜塔博士指出。

“这种各向异性的显著差异，让我们能够确定电子 - 电子相互作用能量尺度（即洪德交换耦合）的下限。尽管该能量尺度在确定‘竞争对称性破缺态’的能量层级中起着关键作用，但此前在菱面体多层石墨烯体系的实验中，始终未能将其提取出来。”

奥尔巴赫博士、杜塔博士、乌赞先生及其同事开展的这项最新研究，凸显了 “尖端 SQUID 器件” 在探测二维（2D）材料局域磁现象方面的潜力。类似技术可用于绘制其他材料的磁化纹理图谱，有望为未来自旋电子学与量子技术的工程化应用提供关键见解。

在实验中，研究人员利用稀释制冷机（基础温度约 20 毫开尔文）完成测量。后续研究中，他们计划逐步提高制冷设备的温度，观察不同温度下磁化纹理的变化规律。

“这将让我们精准确定‘居里温度’—— 即磁性最终消失的温度 —— 并追踪相应磁各向异性的演化过程，” 泽尔多夫教授补充道，“除此之外，我们更长远的目标是：探究对称性破缺态中同位旋的磁有序如何影响‘整数量子反常霍尔态’与‘分数量子反常霍尔态’，以及它能否在整个菱面体多层石墨烯家族中诱导出‘非常规超导性’。”

期刊信息：《自然物理》（Nature Physics）

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