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- 超靈敏傳感器繪制菱面體石墨烯中的磁化紋理圖譜
- 來源：英格麗德法代利（Ingrid Fadelli），Phys.org 發(fā)表于 2025/10/27
研究繪制菱面體石墨烯中的磁化紋理圖譜
對稱性破缺態(tài)的局域磁測量：下圖為尖端搭載納米超導(dǎo)量子干涉裝置（nano-SQUID）環(huán)掃描器件，呈現(xiàn)局域磁化圖案；插圖為尖端頂點處制備的 SQUID 環(huán)掃描電子顯微鏡圖像。下圖為自旋傾斜角 θ=±45° 時，對稱性破缺半金屬相中的交流磁信號實空間圖譜。樣品相對邊緣（虛線處）的磁信號極性相反。樣品內(nèi)部的藍色圓形區(qū)域為制備殘留聚合物形成的氣泡。
圖片來源：伊萊澤爾多夫（Eli Zeldov）教授與蘇拉吉特杜塔（Surajit Dutta）博士
石墨烯由單層呈六邊形晶格排列的碳原子構(gòu)成，是一種應(yīng)用廣泛的材料，以優(yōu)異的電學(xué)和力學(xué)性能著稱。當石墨烯以所謂的 “菱面體（即 ABC）堆疊” 方式排列時，會涌現(xiàn)出新的電子特性，包括可調(diào)控的能帶結(jié)構(gòu)與非平庸拓撲性質(zhì)。
得益于這些新特性，即便未施加外部磁場，菱面體石墨烯中的電子也會表現(xiàn)出仿佛受到 “隱藏” 磁場影響的行為。盡管這一有趣現(xiàn)象已被充分證實，但要深入研究材料中電子的排布規(guī)律 —— 尤其是其自旋與能谷態(tài)指向不同方向的具體機制 —— 至今仍頗具挑戰(zhàn)。
以色列魏茨曼科學(xué)研究所的研究人員近期采用納米級超導(dǎo)量子干涉裝置（nano-SQUID），著手深入探究菱面體石墨烯中的局域磁化紋理。他們的研究成果發(fā)表于《自然物理》（Nature Physics）期刊，為理解該材料中此前觀測到的 “關(guān)聯(lián)態(tài)” 背后的物理過程提供了全新視角。
“我們的研究始于一個簡單問題：在低溫、無外磁場條件下，菱面體多層石墨烯中的四種同位旋自由度（兩種自旋、兩種能谷）會如何實現(xiàn)磁有序排列？” 該研究團隊負責(zé)人、論文資深作者伊萊澤爾多夫教授向Phys.org表示，“在這類體系中，高態(tài)密度會引發(fā)‘類斯通納不穩(wěn)定性’，打破常規(guī)金屬態(tài)的四重簡并；隨著載流子濃度降低，會逐步形成半金屬（二重簡并）與四分之一金屬（一重簡并）相。這些對稱性破缺金屬在非易失性存儲器領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力，也是研究‘關(guān)聯(lián)物理’的理想平臺 —— 因此，解析其磁化紋理及背后電子 - 電子相互作用的能量尺度，至關(guān)重要�！�
此前多數(shù)旨在揭示菱面體石墨烯同位旋紋理的研究，均依賴 “體相高磁場探測技術(shù)”。這類技術(shù)雖能識別材料中的同位旋簡并現(xiàn)象，但在接近零磁場的條件下，難以深入探究局域磁各向異性及背后的相互作用能量尺度。
為此，澤爾多夫教授團隊在研究中采用了 “尖端納米 SQUID 探測技術(shù)”—— 本質(zhì)上是在尖銳吸管頂端構(gòu)建的微型卻超靈敏的超導(dǎo)傳感器。該傳感器在毫開爾文（mK）溫度下運行，使研究人員首次實現(xiàn)了對多層石墨烯中 “同位旋相關(guān)磁化紋理” 的直接成像。
“我們在矢量磁場環(huán)境中，對雙柵極菱面體四層石墨烯器件上方數(shù)百納米區(qū)域進行掃描，” 論文共同第一作者蘇拉吉特杜塔博士解釋道，“該傳感器靈敏度極高，可探測低至 10 納特斯拉（nT）的磁場強度。為獲取磁圖案，我們通過向柵極施加小幅交流電壓來調(diào)制電子濃度：這種微小的濃度波動會改變樣品的磁化狀態(tài)，進而產(chǎn)生局域交流雜散磁場，最終被尖端 SQUID 探測到。”
研究人員最終首次通過實驗，揭示了多層菱面體石墨烯兩種 “奇異量子相” 中與方向相關(guān)的磁性（即磁各向異性）圖案規(guī)律 —— 這兩種量子相分別是 “自旋極化半金屬相” 與 “自旋 - 能谷極化四分之一金屬相”。
“我們發(fā)現(xiàn)，半金屬相中的自旋各向異性極弱 —— 僅需數(shù)十毫特斯拉（mT）的磁場，就能使自旋向任意方向傾斜；而在四分之一金屬相中，自旋則被強‘釘扎’在能谷極化的面外方向�！� 杜塔博士指出。
“這種各向異性的顯著差異，讓我們能夠確定電子 - 電子相互作用能量尺度（即洪德交換耦合）的下限。盡管該能量尺度在確定‘競爭對稱性破缺態(tài)’的能量層級中起著關(guān)鍵作用，但此前在菱面體多層石墨烯體系的實驗中，始終未能將其提取出來�！�
奧爾巴赫博士、杜塔博士、烏贊先生及其同事開展的這項最新研究，凸顯了 “尖端 SQUID 器件” 在探測二維（2D）材料局域磁現(xiàn)象方面的潛力。類似技術(shù)可用于繪制其他材料的磁化紋理圖譜，有望為未來自旋電子學(xué)與量子技術(shù)的工程化應(yīng)用提供關(guān)鍵見解。
在實驗中，研究人員利用稀釋制冷機（基礎(chǔ)溫度約 20 毫開爾文）完成測量。后續(xù)研究中，他們計劃逐步提高制冷設(shè)備的溫度，觀察不同溫度下磁化紋理的變化規(guī)律。
“這將讓我們精準確定‘居里溫度’—— 即磁性最終消失的溫度 —— 并追蹤相應(yīng)磁各向異性的演化過程，” 澤爾多夫教授補充道，“除此之外，我們更長遠的目標是：探究對稱性破缺態(tài)中同位旋的磁有序如何影響‘整數(shù)量子反常霍爾態(tài)’與‘分數(shù)量子反�；魻枒B(tài)’，以及它能否在整個菱面體多層石墨烯家族中誘導(dǎo)出‘非常規(guī)超導(dǎo)性’�！�
期刊信息：《自然物理》（Nature Physics）
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