原創(chuàng)丨彤心未泯（學(xué)研匯 技術(shù)中心）

多鐵性材料在多功能電、磁器件應(yīng)用中具有重要的地位。具有蜂窩狀晶格的二維材料是開發(fā)非常規(guī)多鐵性的理想平臺，其中鐵性序是由軌道自由度驅(qū)動的，包括與電子谷相對應(yīng)的鐵谷性和由量子幾何效應(yīng)支持的鐵軌道磁性。這些軌道多鐵性材料可以提供強(qiáng)大的谷磁耦合和對外部場的大響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)多狀態(tài)存儲元件以及谷和磁狀態(tài)的電控制等設(shè)備應(yīng)用。

有鑒于此，麻省理工學(xué)院巨龍等人利用低溫磁輸運(yùn)測量報告了五層菱面體石墨烯的軌道多鐵性。在空穴摻雜處觀察到了具有異常大的霍爾角( tanΘH>0.6)和軌道磁滯的反常霍爾信號Rxy。有四種具有不同谷極化和軌道磁化強(qiáng)度的這樣的狀態(tài)，形成谷磁四重態(tài)。通過掃描柵極電場E，作者觀察到連接四重奏的Rxy的蝴蝶形磁滯。這種磁滯表明鐵谷電子序耦合到復(fù)合場E·B，但不耦合到各個場。調(diào)整E將獨(dú)立切換每個鐵磁序并共同實(shí)現(xiàn)非易失性切換。總之，本工作證明了一種以前未知的多鐵性，并指出了電可調(diào)超低功率谷電子學(xué)和磁性器件。

本文要點(diǎn)：

1）五層菱面體石墨烯軌道多鐵性

作者通過將石墨烯和六方氮化硼 (hBN) 層之間的角度扭轉(zhuǎn)到遠(yuǎn)離 0 度的角度以避免莫爾效應(yīng)，探討了菱面體堆疊五層石墨烯的軌道多鐵性。結(jié)果表明，谷和軌道磁化強(qiáng)度是菱面體石墨烯中兩個獨(dú)立的有序參數(shù)。因此，可能存在四個谷極化態(tài)，(K, +M)、(K, -M)、(K',+M) 和 (K', -M)。

圖1 菱面體堆疊五層石墨烯中柵極誘導(dǎo)的貝里曲率和谷磁四重態(tài)

2）自發(fā)鐵軌道磁性

作者展示了Rxx與零磁場中電子密度ne和E的函數(shù)關(guān)系并總結(jié)了ΔBc和 ΔRxy的值作為E的函數(shù)。注意到反常霍爾角異常大，最大tanQH>0.6。結(jié)合同位旋對稱性破缺與反常霍爾信號，可以得出結(jié)論，翼區(qū)是谷極化的，磁滯回線表現(xiàn)出鐵軌道磁性。定性地講，掃描B同時切換谷值和磁化強(qiáng)度，通過在固定B處切換E的符號，谷序被翻轉(zhuǎn)，而磁化強(qiáng)度保持不變，這展示了一種實(shí)現(xiàn)軌道磁性電調(diào)諧的機(jī)制。

圖2 谷極化半金屬中的鐵軌道磁性

3）鐵谷性

作者通過掃描B=20?mT處的電場E進(jìn)一步探索谷和軌道磁階，注意到小磁場用于抑制整個磁化強(qiáng)度的波動。作者展示了不同狀態(tài)對應(yīng)的能帶結(jié)構(gòu)和費(fèi)米能級，結(jié)果表明，谷極化和軌道磁化強(qiáng)度是基態(tài)的兩個不同的階參數(shù)。此外，五層石墨烯中可能存在蝶形磁滯現(xiàn)象，因為谷極化半金屬位于零 E 附近。谷極化的共軛場為E·B。軌道磁化強(qiáng)度和谷序之間的耦合可以通過每個空穴的自由能 F?=?αV E·B來描述。

圖3 鐵谷度

4）B和T依賴性鐵谷性

接著，作者進(jìn)一步探索了鐵谷性對B和升高溫度T的響應(yīng)。作者探究了蝴形磁滯隨B的演變規(guī)律，隨著|B|增大，表現(xiàn)出遲滯的E范圍逐漸縮小，作者還展示了定性描述B和T響應(yīng)的模型。每個空穴的平均軌道磁矩大約是電子自旋磁矩的10倍，這使得與磁場的耦合更強(qiáng)。

圖4 磁場和溫度控制的鐵谷性

5）軌道多鐵性和切換

作者將鐵谷性與傳統(tǒng)鐵序和共軛場進(jìn)行了比較，谷序打破了反演對稱性和時間反演對稱性，鐵谷性和軌道鐵磁性的共存代表了一種以前未知的多鐵性類型，其中兩種順序最終源自電子的軌道度而不是自旋。這兩個級數(shù)彼此強(qiáng)烈耦合，類似于II型多鐵性材料。柵極電場在兩種鐵序中都起著重要作用，可以使用E來獨(dú)立控制谷和軌道磁化強(qiáng)度。谷磁四重態(tài)之間的切換只需要改變柵極電場，這優(yōu)于電流感應(yīng)的磁化強(qiáng)度切換。

圖5 軌道多鐵性的電氣控制

審核編輯：黃飛