近期，加利福尼亚大学Andrea F. Young团队在Nature期刊上发表了题为「Fluctuating magnetism and Pomeranchuk effect in multilayer graphene」的最新论文。该团队通过精确控制RMG的电子结构，设计并制备了具有自旋和谷极化的R2G材料，并在实验中观察到波动的局部磁矩特性。这些磁性行为在传统的完全流动金属中是意外的，并且与局域磁矩的表现类似，类似于固态3He中观察到的现象。研究人员发现，该系统的电子熵表现出与无序局部磁矩相关的特征，并且在居里温度附近，磁性显示出一个熵变化约为1 kB的贡献，这一现象在高温下仍然持续，并具有较长的温度范围。
研究背景
Rhombohedral multilayer graphene（RMG）是一种具有特殊结构和性质的二维材料，主要由多层菱形石墨烯组成。菱方多层石墨烯（RMG）是一种具有独特电子结构的二维材料，因其在超导、磁性等领域的潜在应用而引起了广泛关注。与传统的磁性材料相比，RMG不依赖于局域化的电子轨道，而是通过接近范霍夫奇点的流动电子实现自旋和谷极化。这使得RMG在磁性研究中具有独特优势，尤其是在研究平带系统中的电子行为和磁性调控时。然而，尽管RMG表现出了许多有趣的物理特性，但其磁性机制仍不完全明确，且如何有效地利用这些特性仍然面临挑战。
研究内容
为了解决这一问题，加利福尼亚大学Andrea F. Young团队通过精确控制RMG的电子结构，设计并制备了具有自旋和谷极化的R2G材料，并在实验中观察到波动的局部磁矩特性。这些磁性行为在传统的完全流动金属中是意外的，并且与局域磁矩的表现类似，类似于固态3He中观察到的现象。研究人员发现，该系统的电子熵表现出与无序局部磁矩相关的特征，并且在居里温度附近，磁性显示出一个熵变化约为1 kB的贡献，这一现象在高温下仍然持续，并具有较长的温度范围。
此外，团队还发现，在R2G材料中，磁矩的波动相对于对称的费米液体显示出熵的优势，这种现象被称为波梅朗丘效应。研究表明，尽管R2G材料中的电子波函数具有流动性，单个电子的自旋和谷极化却是解耦的，这与传统局域磁矩的行为类似。通过进一步的电阻测试，团队还发现，在波动的磁矩区域，R2G材料表现出有限温度下的电阻最小值，这一现象与波动的磁矩与电子—声子散射的相互作用有关。该研究的结果不仅为RMG材料的磁性机制提供了新的理解，也展示了二维平带系统中等自旋模式的普适性，为进一步的应用研究奠定了基础。
图文导读
本文的核心创新点在于揭示了菱方多层石墨烯中，尽管电子波函数具有流动性质，个体电子的自旋和谷极化却呈现解耦现象，并展示了波动磁矩与电子—声子散射之间的相互作用。
图1 | 伯纳尔双层石墨烯和菱方多层三层石墨烯中的静态与波动磁性。
图2 | R2G中的等自旋熵和波梅朗丘效应。
图3 | 金属R2G中的负温度系数。
结论展望
本文的研究为理解平带系统中的磁性和电子行为提供了重要的启示。首先，RMG系统的实验结果表明，尽管电子波函数呈现流动性，但它们在自旋和谷极化上的解耦行为类似于局部磁矩，挑战了传统的磁性描述模型。这一发现揭示了即使在没有局域轨道和摩尔势能的情况下，平带系统仍可能展现出局部磁矩行为和等自旋波动，这为研究二维材料中的软等自旋模态开辟了新方向。此外，研究中观察到的波梅朗丘效应和等自旋熵的显著增加，提供了理解高温下磁性行为的全新视角，尤其是在缺乏晶格结构的情况下。这一结果不仅推动了对RMG等材料中非传统磁性现象的进一步探索，也为发展能够描述无摩尔势能和局域轨道的平带系统的理论框架提供了理论动力，具有广泛的应用前景，尤其在量子材料和低维材料的设计中具有重要指导意义。
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-025-08725-5
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理，所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
