近日，beat365官方网站量子材料科學中心、納米器件物理與化學教育部重點實驗室、北京量子信息科學研究院陳劍豪教授課題組與beat365謝心澄院士、劉陽研究員、葉堉研究員、人民大學季威教授、山西大學韓拯教授等合作者在雙層石墨烯（BLG）和一氧一氯化鉻（CrOCl）異質結構中利用高精密電容測量技術，觀測到非易失态的磁電協同控制行為。相關研究成果以“雙層石墨烯-一氧一氯化鉻異質結構中磁電協同控制非易失态”（Magnetic-Electrical Synergetic Control of Non-Volatile States in Bilayer Graphene-CrOCl Heterostructures）為題發表于期刊《先進材料》（Advanced Materials）。

CrOCl于1961年首次合成，長期以來被視為一種傳統的低對稱性範德華反鐵磁絕緣體。先前已發現的新興現象包括穩定的量子霍爾态、關聯絕緣态以及載流子極性重構，這些現象均出現在與CrOCl界面相連的範德華材料溝道中。由CrOCl與單層石墨烯（SLG）、雙層石墨烯（BLG）以及過渡金屬二硫化合物等範德華溝道組成的異質結展現出了獨特的遷移率保持和關聯增強的電荷轉移特性。然而，先前的研究僅集中于傳輸（電阻）測量，這種測量方法本質上難以表征通道帶隙附近載流子密度的變化；進一步，先前的工作未能展示CrOCl的磁序對範德華通道的影響。

針對這一現狀，陳劍豪課題組與合作者成功構建了雙層石墨烯與CrOCl的異質結構，利用精密電容測量技術發現了一種前所未有的磁電協同控制機制。當CrOCl從反鐵磁（AFM）狀态轉變為亞鐵磁類（FiM）狀态時，通過磁場調控，可以觀察到雙層石墨烯中的電荷态密度發生顯著變化，呈現出一種磁滞回線行為。這種磁滞行為僅依賴于磁化曆史，而非電栅控曆史，并且可以通過電學手段進行調控，從而實現了對這些非易失态的協同控制。

圖1. BLG-CrOCl的電容測量電路和電容相圖。(a) BLG-CrOCl器件結構和電容測量電路。(b)在B_⊥= 3 T和T = 2 K下的雙栅電容相圖。(c)在B_⊥= 3 T和T = 2 K下的雙栅電容回滞相圖。

圖2. BLG-CrOCl的電容回滞和開關行為。(a)電容和(b)反對稱電容回滞。(c)圖1(c)中位置3處的電容回滞溫度依賴性。(d) BLG-CrOCl的開關行為。

為了深入理解這一物理現象，研究組進行了第一性原理計算。計算結果表明，在CrOCl的磁相轉變過程中，雙層石墨烯與CrOCl之間發生了磁場控制的電荷轉移。這種電荷轉移導緻了雙層石墨烯中費米能級的顯著上移，進而影響了其導電性質。研究還發現，在CrOCl的不同磁狀态下，雙層石墨烯與CrOCl之間的電荷轉移密度和能帶結構均發生了顯著變化，為磁電協同控制提供了物理基礎。

該研究成果不僅揭示了二維範德華異質結構中磁電相互作用的複雜性，還為新型電子器件的研發提供了新的思路。通過磁電協同控制，有望實現具有非易失性存儲功能的新型電子器件，為信息技術的發展注入新的活力。

beat365官方网站量子材料科學中心博士後曹世民、博士研究生鄭潤傑、中國人民大學副研究員王聰為該論文的共同第一作者。該論文的通訊作者包括：陳劍豪、葉堉、季威、韓拯。

上述研究工作得到了國家重點研發計劃“量子調控與量子信息”重點專項、國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項等項目的支持。

論文原文鍊接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202411300