半莫尔填充魔角扭曲双层石墨烯的自旋轨道驱动铁磁性

来自美国布朗大学的J. I. A.Li等研究者，分析了强电子关联和自旋轨道耦合对双层石墨烯和二硒化钨晶体原子界面上二维电子系统的联合影响。相关论文以题为“Spin-orbit–driven ferromagnetism at half moiré filling in magic-angle twisted bilayer graphene”发表在Science上。

论文链接： https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh2889

范德华(vdW) moiré结构是一个有趣的平台，可用于探索二维(2D)电子系统中相关、拓扑和破缺对称的相互作用。两层vdW晶体之间的旋转排列，产生了一个平坦的moiré能带，在这个能带中，强库仑相关在大量的出现量子现象中起着主导作用。在石墨烯moiré结构中，打破C2T对称性，可以在四分之一和四分之三填充时稳定自发轨道铁磁，表现为具有滞后开关跃移的稳健反常霍尔效应(AHE)。与1/4和3/4的填充物不同，在半填充物moiré能带上的潜在轨道铁磁态具有自旋非极化边缘模式，能够沿着铁磁体/超导体界面近似进行超导配对。这样的结构被认为是实现马约拉纳模式的关键。然而，由于谷间洪德耦合，轨道铁磁体被预测在扭曲的石墨烯结构中是不利的。

自旋轨道耦合(SOC)，作为形成某些拓扑相的基本成分，为moiré结构的拓扑特性设计提供了一个额外的实验旋钮。最近，有研究者提出SOC赋予moiré能带非零Berry曲率，使半moiré的铁磁有序填充了不与六方氮化硼(hBN)衬底排列的可能性。与块体材料不同，需要调整化学成分来产生自旋轨道锁定，在vdW结构中存在另一种通过接近效应的途径。石墨烯与过渡金属二卤代化物晶体(例如二硒化钨(WSe2))之间的紧密接触，使得两种晶体的电子波函数重叠和杂化，赋予石墨烯强大的SOC。

在这项工作中，研究者使用输运测量，检查了近致SOC对moiré能带及其相关量子相性质的影响。研究者发现，在moiré平面带内的强电子相关性稳定了相关的绝缘状态，在四分之一和半填充时，SOC将这些类似mott的绝缘子转变为铁磁体，这可以从具有滞后开关行为的稳健反常霍尔效应得到证明。自旋和谷自由度之间的耦合，可以通过平面内磁场或垂直电场控制磁序来实现。该研究结果建立了一个实验旋钮，可用于设计扭曲双层石墨烯及其相关体系中moiré带的拓扑特性。

图1 从tBLG/WSe2界面出现的铁磁秩序。

图2 利用面内磁场控制磁序。

图3 位移场依赖。

图4 同位旋顺序和无超导性。

尽管输运测量本身不能确定SOC对魔角附近超导相的影响，但该结果可对未来的理论和实验工作以启发，以研究SOC对moiré结构的影响，作为石墨烯扭曲角和石墨烯/WSe2错位函数。

审核编辑 ：李倩