当普通铅笔芯被削成原子一样薄的层时，具有非凡的性能。一片原子薄的石墨，称为石墨烯，仅是人类头发宽度的一小部分。在显微镜下，这种材料类似于以六方晶格连接的碳原子铁丝网。

尽管石墨烯的比例像流浪者一样，但科学家多年来发现石墨烯异常坚固。当材料以特定的扭曲方式堆叠和扭曲时，它可以呈现出令人惊讶的电子行为。

现在，麻省理工学院的物理学家发现了石墨烯的另一个令人惊讶的特性：当石墨烯以菱面体图案堆叠成五层时，石墨烯呈现出一种非常罕见的“多铁性”状态，在这种状态下，该材料表现出非常规的磁性和一种奇异的电子行为，该团队创造了ferro-valleytricity。

“石墨烯是一种令人着迷的材料，”团队负责人、麻省理工学院物理学助理教授LongJu说。“你添加的每一层本质上都会给你一种新材料。现在这是我们第一次在五层石墨烯中看到铁谷性和非常规磁性。但我们在一层、两层、三层石墨烯中没有看到这种特性。或四层。”

这一发现可以帮助工程师为经典计算机和量子计算机设计超低功耗、大容量的数据存储设备。

Ju说：“一种材料具有多铁性，这意味着如果它可以节省写入磁性硬盘驱动器的能源和时间，那么与传统设备相比，您还可以存储双倍的信息量。”

他的团队在《自然》杂志上发表了一篇论文，报告了他们的发现。麻省理工学院的合著者包括主要作者TonghangHan、ZhengguangLu、TianyiHan和LiangFu;与哈佛大学合作者GiovanniScuri、JihoSung、JueWang和HongkunPark;以及日本国立材料科学研究所的KenjiWatanabe和TakashiTaniguchi。

对订单的偏好

铁质材料是一种在其电、磁或结构特性方面表现出一些协调行为的材料。磁铁是铁质材料的一个常见例子：它的电子可以协调地沿同一方向旋转，而无需磁铁是铁质材料的一个常见例子：它的电子可以在没有外部磁场的情况。结果，磁铁自发地指向空间中的首选方向。

其他材料可以通过不同的方式具有铁性。但只有少数被发现是多铁性的——一种罕见的状态，其中多种特性可以协调显示多种首选状态。在传统的多铁性材料中，除了指向一个方向的磁体之外，似乎还存在指向一个方向的磁体。电荷沿着与磁方向无关的方向移动。

多铁材料对电子产品很感兴趣，因为它们有可能提高硬盘驱动器的速度并降低能源成本。磁性硬盘驱动器以磁域的形式存储数据，本质上是微观磁铁，根据其磁性方向，读取为1或0。

磁铁通过电流进行开关，消耗大量能量并且无法快速运转。如果存储设备可以用多铁性材料制成，则可以通过更快、功率低得多的电场来切换磁域。Ju和他的同事们很好奇石墨烯中是否会出现多铁行为。

这种材料极薄的结构是一个独特的环境，研究人员可以在其中发现原本隐藏的量子相互作用。Ju特别想知道石墨烯在某些条件和配置下排列时，其电子之间是否会表现出多铁性、协调行为。

“我们正在寻找电子减慢速度的环境——电子与周围原子晶格的相互作用很小，这样它们与其他电子的相互作用就可以通过，”朱解释道。“那时我们就有机会看到有趣的电子集体行为。”

研究小组进行了一些简单的计算，发现电子之间的一些协调行为应该出现在以菱形图案堆叠在一起的五个石墨烯层的结构中。(想象一下五根铁丝网栅栏，它们堆叠在一起并稍微移动，从顶部看，该结构类似于菱形图案。)

“在五层中，电子恰好处于移动非常缓慢的晶格环境中，因此它们可以有效地与其他电子相互作用，”朱说。“那时电子相关效应开始占主导地位，它们可以开始协调成某些首选的铁序。”

魔法片

然后研究人员进入实验室，看看他们是否能够真正观察到五层石墨烯的多铁性行为。在他们的实验中，他们从一小块石墨开始，小心地从中剥离出单独的薄片。他们使用光学技术来检查每个薄片，专门寻找以菱面体图案自然排列的五层薄片。

“在某种程度上，大自然具有魔力，”主要作者、研究生韩说。“我们可以观察所有这些薄片，并辨别出在菱形堆叠中哪些有五层，这应该会给你带来电子减速效应。”

该团队分离了几个五层薄片，并在略高于绝对零的温度下对它们进行了研究。在这种超冷条件下，所有其他效应，例如石墨烯内的热引起的紊乱，都应该受到抑制，从而允许电子之间的相互作用出现。研究人员测量了电子对电场和磁场的响应，发现确实出现了两种铁序或一组协调行为。

第一个铁磁性是非常规的磁性：电子协调它们的轨道运动，就像行星沿同一方向旋转一样。(在传统磁体中，电子协调它们的“自旋”——沿相同方向旋转，同时在空间中保持相对固定。)

第二个铁性质与石墨烯的电子“谷”有关。在每种导电材料中，电子都可以占据一定的能级。谷代表电子可以自然稳定的最低能量状态。事实证明，石墨烯中有两个可能的谷。通常，电子对任何一个谷都没有偏好，并且平等地沉入两个谷。

但在五层石墨烯中，研究小组发现电子开始协调，并且更倾向于定居在一个山谷中而不是另一个山谷中。第二种协调行为表明铁性，与电子的非常规磁性相结合，赋予该结构一种罕见的多铁性状态。

“我们知道这个结构中会发生一些有趣的事情，但在我们对其进行测试之前，我们并不知道到底会发生什么，”共同第一作者、Ju团队的博士后Lu说。“这是我们第一次看到铁谷电子学，也是我们第一次看到铁谷电子学与非常规铁磁体的共存。”

研究小组表明，他们可以使用电场来控制这两种铁性。他们设想，如果工程师可以将五层石墨烯或类似的多铁性材料合并到存储芯片中，原则上他们可以使用相同的低功率电场以两种方式而不是一种方式操纵材料的电子，并且有效与传统的多铁性材料相比，芯片上可存储的数据增加了一倍。

虽然这一愿景远未实现，但该团队的成果在寻找更好、更高效的电子、磁性和谷电子设备方面取得了新的突破。

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