原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）

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

有鑒于此，麻省理工學院巨龍等人利用低溫磁輸運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度的這樣的狀態，形成谷磁四重態。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合場E·B，但不耦合到各個場。調整E將獨立切換每個鐵磁序并共同實現非易失性切換。總之，本工作證明了一種以前未知的多鐵性，并指出了電可調超低功率谷電子學和磁性器件。

本文要點：

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) 層之間的角度扭轉到遠離 0 度的角度以避免莫爾效應，探討了菱面體堆疊五層石墨烯的軌道多鐵性。結果表明，谷和軌道磁化強度是菱面體石墨烯中兩個獨立的有序參數。因此，可能存在四個谷極化態，(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的貝里曲率和谷磁四重態

2）自發鐵軌道磁性

作者展示了Rxx與零磁場中電子密度ne和E的函數關系并總結了ΔBc和 ΔRxy的值作為E的函數。注意到反常霍爾角異常大，最大tanQH>0.6。結合同位旋對稱性破缺與反常霍爾信號，可以得出結論，翼區是谷極化的，磁滯回線表現出鐵軌道磁性。定性地講，掃描B同時切換谷值和磁化強度，通過在固定B處切換E的符號，谷序被翻轉，而磁化強度保持不變，這展示了一種實現軌道磁性電調諧的機制。

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度的波動。作者展示了不同狀態對應的能帶結構和費米能級，結果表明，谷極化和軌道磁化強度是基態的兩個不同的階參數。此外，五層石墨烯中可能存在蝶形磁滯現象，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，作者進一步探索了鐵谷性對B和升高溫度T的響應。作者探究了蝴形磁滯隨B的演變規律，隨著|B|增大，表現出遲滯的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。

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鐵序和共軛場進行了比較，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。這兩個級數彼此強烈耦合，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來獨立控制谷和軌道磁化強度。谷磁四重態之間的切換只需要改變柵極電場，這優于電流感應的磁化強度切換。

圖5 軌道多鐵性的電氣控制

審核編輯：黃飛