材料的“鐵性”指的是即使在不施加外場(chǎng)（電場(chǎng)、磁場(chǎng)、應(yīng)力等）的情況下，某些性質(zhì)依然具備特定取向的現(xiàn)象。目前發(fā)現(xiàn)的鐵性包括鐵磁性、鐵電性、鐵彈性等。舉例來(lái)說(shuō)，鐵磁材料中電子的自旋可以在沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)統(tǒng)一排列朝向同一方向，使得材料產(chǎn)生宏觀(guān)的磁性。同時(shí)具有上述多種鐵性的單相材料被稱(chēng)為“多鐵材料”。鐵性材料具備的特定取向可被當(dāng)作信息存儲(chǔ)的基本單元，因而多鐵材料具備的多重鐵性天然可以存儲(chǔ)更多信息。多鐵材料中的不同鐵性之間如果產(chǎn)生耦合，將會(huì)為信息操縱和處理提供更多可能，有望實(shí)現(xiàn)低能耗和高效的信息處理。雖然具有廣闊的應(yīng)用前景，多鐵材料卻非常少見(jiàn)，尋找新的鐵性，新的多鐵材料，更強(qiáng)的多鐵耦合，是凝聚態(tài)物理中的一個(gè)重要方向。

石墨烯是一種完全由碳原子構(gòu)成的單層材料。我們?nèi)粘Ｊ褂玫你U筆芯由石墨構(gòu)成，它是一種層狀材料，如果將石墨變薄直至單層就獲得了石墨烯。通常認(rèn)為石墨和石墨烯并不具有磁性，出乎意料的是，近日美國(guó)麻省理工學(xué)院物理系巨龍課題組發(fā)現(xiàn)菱方堆疊的五層石墨烯是一種多鐵材料。它不但具有鐵磁性，同時(shí)還有一種全新的鐵性—鐵谷性。不同于傳統(tǒng)鐵磁材料中電子自旋導(dǎo)致的磁性，這里的鐵磁性和鐵谷性均由電子的軌道運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致，因此更容易被電場(chǎng)和磁場(chǎng)控制。

鐵性來(lái)源于電子間的關(guān)聯(lián)和相互作用。通常材料中電子動(dòng)能比相互作用大得多，此時(shí)電子以很高的速度橫沖直撞，行為雜亂無(wú)章。當(dāng)電子運(yùn)動(dòng)速度變得很低，電子開(kāi)始感受到其他電子的相互作用，進(jìn)而統(tǒng)一步調(diào)變得有序，這種有序態(tài)就是鐵性。巨龍課題組發(fā)現(xiàn)天然存在的五層石墨烯中有一種特殊的堆疊方式——菱方堆疊，在這種堆疊的石墨烯中電子運(yùn)動(dòng)會(huì)變得很慢，出現(xiàn)了很多新奇的電子關(guān)聯(lián)現(xiàn)象（Han, T., Lu, Z. et al.Nat. Nanotechnol.2023.）。然而這種堆疊方式是一種亞穩(wěn)態(tài)，在制備樣品的過(guò)程中隨時(shí)可能變成其他的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)探索，課題組制備了高質(zhì)量的菱方堆疊的五層石墨烯，并在低溫環(huán)境中進(jìn)行了電學(xué)輸運(yùn)測(cè)量。

他們發(fā)現(xiàn)五層石墨烯具有鐵磁性。與常規(guī)鐵磁材料不同的是，這里磁性并非來(lái)源于電子自旋（類(lèi)似于電子的自轉(zhuǎn)），而是來(lái)自于電子的軌道運(yùn)動(dòng)（類(lèi)似電子的公轉(zhuǎn)）。這種軌道運(yùn)動(dòng)可以被電場(chǎng)調(diào)控，在不加電場(chǎng)時(shí)，系統(tǒng)的磁矩為零，隨著施加電場(chǎng)的增大，系統(tǒng)磁矩也近似線(xiàn)性增加。這種“電控磁”效應(yīng)體現(xiàn)了系統(tǒng)中存在巨大的磁電耦合，在應(yīng)用中有很大價(jià)值。

更新奇的是，課題組還發(fā)現(xiàn)了一種全新的鐵性——鐵谷性。低能的電子能帶被稱(chēng)為“能谷”，在石墨烯中有兩個(gè)具有相同能量但不等價(jià)的能谷，通常電子會(huì)均勻分布在兩個(gè)能谷中。但在五層石墨烯中，由于電子間的相互作用，電子選擇全部進(jìn)入同一個(gè)能谷。這種電子分布的選擇性是一種新的鐵性，由于系統(tǒng)中同時(shí)存在鐵磁性，五層石墨烯實(shí)際上是有兩種鐵性共存的多鐵材料。

該研究同時(shí)展示了這兩種鐵性均可以被電場(chǎng)方便地調(diào)控，未來(lái)可被用于制作更高效且低能耗的電子器件。

巨龍課題組長(zhǎng)期關(guān)注石墨烯等二維材料體系中的強(qiáng)關(guān)聯(lián)與拓?fù)湫?yīng)，近年來(lái)在菱方堆疊多層石墨烯系統(tǒng)中有一系列進(jìn)展。本月初，在同樣的菱方堆疊五層石墨烯樣品中，課題組報(bào)道了其中關(guān)聯(lián)絕緣態(tài)，陳氏絕緣態(tài)，以及多種對(duì)稱(chēng)性破缺金屬態(tài)（Han, T., Lu, Z. et al.Nat. Nanotechnol.2023.）。菱方堆疊多層石墨烯體系已成為一個(gè)重要的研究強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)與拓?fù)湫?yīng)的新平臺(tái)。