'不只有超導，斯坦福物理學家意外發現：石墨烯存在軌道鐵磁性'

有時候，最好的發現發生在科學家們最意想不到的時候。當兩片扭曲的石墨烯顯示出超導的跡象時，發現該現象的麻省理工物理學家們驚呆了。然而現在，斯坦福大學的物理學家家們已經證明，這種神奇的材料還能產生一種曾經只在理論上夢想過的磁力。

這是一種新形式的磁性，它雖然之前出現在科學家的預測中，但卻從未見過。研究人員者認為，這種被稱為軌道鐵磁性（orbital ferromagnetism）的磁性可能會被證明對某些方面的應用很有意義，比如量子計算。該研究小組在7月25日出版的《科學》雜誌上描述了他們的發現。

斯坦福大學的研究人員在試圖重現一項在物理學界引發衝擊波的發現時無意中發現了這一現象。2018年初，麻省理工學院的大衛·戈德哈伯-戈登研究小組宣佈，他們已經成功誘導了一堆兩層排列不齊的碳原子，雙層石墨烯實現了無電阻導電，這是一種被稱為超導的特性。這一發現震驚地證實了近10年前的預測，即石墨烯薄片旋轉到一個非常特殊的角度時，會具有超導特性。

當石墨烯堆疊和扭曲時，它會形成一個具有重複干涉或莫爾模式的超晶格。“這就像你演奏兩個頻率略有不同的音調”，此次研究的負責人、斯坦福大學人文科學學院的物理學教授大衛·戈德哈伯-戈登說。“你會感受到兩者之間的節拍，這與它們頻率之間的差異有關。而石墨烯的故事與此非常相似，當你把兩個格子疊在一起，然後扭曲它們，使它們不能完全對齊，於是有趣的事情發生了。”

物理學家的理論是，當石墨烯旋轉到1.1度時，形成的特殊超晶格會導致材料中通常變化的電子能態坍塌，形成他們所說的平帶，電子運動的速度會下降到接近於零。這樣一來，任何一個電子的運動都變得高度依賴於它附近其他電子的運動。這些相互作用是許多奇異的物質量子態的核心。

斯坦福大學這次研究的目標並不是磁性，然而他們的研究成果卻出人意料。雖然在這個系統中發現超導很驚人，但大衛·戈德哈伯-戈登期望的似乎更多，他們希望這項研究可以解決更多疑問，斯坦福大學的物理學家們，沿著麻省理工的研究成果再接再厲繼續探索。在試圖複製重現麻省理工團隊的結果時，大衛·戈德哈伯-戈登和他的團隊引入了兩個看似不重要的改變。

首先，當將蜂窩狀的碳晶格封裝在六角形氮化硼的薄層中時，研究人員無意中將其中一層保護層旋轉到與扭曲的雙層石墨烯接近對齊的位置。事實證明，如果將氮化硼晶格與石墨烯晶格幾乎對齊，就會顯著改變扭曲的雙層石墨烯的電學性質。

其次，斯坦福團隊故意讓兩個石墨烯薄片之間的旋轉角度超過了1.1度，而是1.17度，因為最近有研究表明，扭曲的石墨烯薄片在製造過程中傾向以更小的角度沉降。戈爾德哈伯-戈登認為，如果他們的目標是1.17度，那麼實際扭曲的角度會回到1.1度。然而實驗發現很意外，他們發現扭曲角度反而擴大到了1.2度。

這些微小變化帶來的影響，直到斯坦福大學的研究人員開始測試扭曲石墨烯樣品的性能時才顯現出來。特別是，他們想要研究石墨烯樣本的磁性是如何隨著扁平帶的變化而變化的。扁平帶是電子緩慢至接近零的狀態集合，電子被充滿或被清空。將電子泵入已經冷卻至接近絕對零度的樣品中，在平帶充滿四分之三時，他檢測到垂直於電流流動的大電壓。這種電壓被稱為霍爾電壓，通常只出現在外部磁場存在的情況下。然而在這種情況下，即使外部磁場已經關閉，這種電壓仍然存在。

這種反常的霍爾效應只有在石墨烯樣品自身產生內部磁場時才能解釋。此外，這種磁場不可能是電子的自旋向上或向下排列對齊的結果，通常磁性材料會出現這種典型狀況，所以研究人員推斷一定是由於它們的軌道運動協調而產生的。

大衛·戈德哈伯-戈登對此表示說，，這是已知的第一個石墨烯材料中存在軌道鐵磁性的例子，如果磁性是由於自旋極化，你就不會期望看到霍爾效應。我們不僅看到了霍爾效應，而且看到了巨大的霍爾效應。

在量子力學中，軌道磁化是指帶電粒子(通常是固體中的電子)軌道運動引起的磁化。“軌道”一詞將其與自旋自由度(Mspin)對總磁化強度的貢獻區分開來。非零軌道磁化需要破缺的時間反轉對稱性，這種對稱性可以在鐵磁性和鐵磁性材料中自發發生，也可以在非磁性材料中由外加磁場誘發。

研究人員估計，扭曲石墨烯樣品表面附近的磁場比傳統冰箱磁鐵弱100萬倍左右，但在某些情況下，比如為量子計算機建立內存，這種弱磁場可能是一種優勢。磁性雙層石墨烯可以用非常低的功率開啟，並且可以非常容易地通過電子方式讀取。事實上，沒有一個大的磁場從材料中向外延伸，這意味著你可以把磁位非常緊密地放在一起，而不用擔心干擾。

大衛·戈德哈伯-戈登的實驗室還沒有完成對扭曲雙層石墨烯的探索。該研究小組計劃利用最近改進的製造技術製造更多的樣品，以便進一步研究軌道磁性。