- 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
對稱性破缺態的局域磁測量：下圖為尖端搭載納米超導量子干涉裝置（nano-SQUID）環掃描器件，呈現局域磁化圖案；插圖為尖端頂點處制備的 SQUID 環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。樣品內部的藍色圓形區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成，是一種應用廣泛的材料，以優異的電學和力學性能著稱。當石墨烯以所謂的 “菱面體（即 ABC）堆疊” 方式排列時，會涌現出新的電子特性，包括可調控的能帶結構與非平庸拓撲性質。
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出仿佛受到 “隱藏” 磁場影響的行為。盡管這一有趣現象已被充分證實，但要深入研究材料中電子的排布規律 —— 尤其是其自旋與能谷態指向不同方向的具體機制 —— 至今仍頗具挑戰。
以色列魏茨曼科學研究所的研究人員近期采用納米級超導量子干涉裝置（nano-SQUID），著手深入探究菱面體石墨烯中的局域磁化紋理。他們的研究成果發表于《自然物理》（Nature Physics）期刊，為理解該材料中此前觀測到的 “關聯態” 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）會如何實現磁有序排列？” 該研究團隊負責人、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，高態密度會引發‘類斯通納不穩定性’，打破常規金屬態的四重簡并；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域極具應用潛力，也是研究‘關聯物理’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，至關重要。”
此前多數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”。這類技術雖能識別材料中的同位旋簡并現象，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”—— 本質上是在尖銳吸管頂端構建的微型卻超靈敏的超導傳感器。該傳感器在毫開爾文（mK）溫度下運行，使研究人員首次實現了對多層石墨烯中 “同位旋相關磁化紋理” 的直接成像。
“我們在矢量磁場環境中，對雙柵極菱面體四層石墨烯器件上方數百納米區域進行掃描，” 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制電子濃度：這種微小的濃度波動會改變樣品的磁化狀態，進而產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” 中與方向相關的磁性（即磁各向異性）圖案規律 —— 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”。
“我們發現，半金屬相中的自旋各向異性極弱 —— 僅需數十毫特斯拉（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’的能量層級中起著關鍵作用，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）材料局域磁現象方面的潛力。類似技術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與量子技術的工程化應用提供關鍵見解。
在實驗中，研究人員利用稀釋制冷機（基礎溫度約 20 毫開爾文）完成測量。后續研究中，他們計劃逐步提高制冷設備的溫度，觀察不同溫度下磁化紋理的變化規律。
“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：探究對稱性破缺態中同位旋的磁有序如何影響‘整數量子反常霍爾態’與‘分數量子反常霍爾態’，以及它能否在整個菱面體多層石墨烯家族中誘導出‘非常規超導性’。”
期刊信息：《自然物理》（Nature Physics）
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