西湖大学Adv. Mater.：菱方石墨烯中自旋-轨道驱动的四分之一半金属

半金属因同时存在电子和空穴而展现出独特性质。在菱方堆叠多层石墨烯中，强烈的三角翘曲效应在费米面附近诱发半金属态，为探索半金属特性与强关联效应及拓扑结构的相互作用提供了理想平台。

近日，西湖大学徐水钢博士课题组通过引入自旋-轨道耦合，在菱方堆叠多层石墨烯中观测到四分之一半金属态。该体系的半金属特性表现为霍尔电阻近乎消失及抛物线型纵向电阻。表面平带引发的强关联效应导致自发对称性破缺，经由WSe₂近邻效应引入的自旋-轨道耦合进一步解除能谷简并，磁滞反常霍尔效应证实体系出现自发时间反演对称性破缺。完全极化的电子与空穴共存使得反常霍尔电阻呈现非单调温度依赖性。此外，中等强度磁场的施加可诱导四分之一半金属向陈绝缘体的相变。这些发现确立了菱方堆叠多层石墨烯作为研究半金属中强关联与拓扑物态的优质载体。

该研究结果确立了自旋轨道耦合近邻效应修饰的菱方堆叠多层石墨烯是一种独特的铁磁半金属体系，其特性源于三角翘曲能带结构、强关联效应以及自旋轨道耦合诱导的自发时间反演对称性破缺。该体系中强关联、自旋轨道耦合与拓扑特性的相互缠绕，为探索大量涌现现象提供了一个高度可调控的研究平台。

研究表示，与近期在WS₂/菱方五层石墨烯中发现的零磁场量子反常霍尔绝缘体相比，该结果凸显了自旋轨道耦合强度在决定不同量子态中的关键作用。理论研究指出，有效邻近诱导自旋轨道耦合的强度很大程度上取决于石墨烯与WSe₂之间的旋转对准角度。据预测，当石墨烯与WSe₂的旋转失准角约为15°–20°时，自旋轨道耦合效应最为显著。本研究中测得WSe₂与石墨烯的转角关系为：器件D1约18°，器件D2约15°。这些角度正好处于预测能诱导最强自旋轨道耦合的最佳范围内因此我们认为，相较于先前报道的量子反常霍尔态，在本研究器件中观测到四分之一半金属态的关键因素在于材料选择（采用WSe₂而非WS₂），这涉及材料本征强度与层间耦合的复杂相互作用。该工作为后续系统研究相图随自旋轨道耦合强度的演化提供了动力——既可通过设计特殊结构控制石墨烯与过渡金属硫族化物之间的转角来实，也可通过静水压调控层间耦合强度。此外，值得通过采用具有强各向异性自旋轨道耦合的低对称性二维材料，研究菱方石墨烯中的邻近各向异性自旋轨道耦合效应。

更重要的是，菱方石墨烯半金属中的平带特征及电子-空穴共存特性，为研究强关联电子-空穴态提供了条件，例如具有超流态特征的激子绝缘体，以及具有流体动力学输运特性的粘性狄拉克流体。结合菱方石墨烯的拓扑特性，该体系也是探索半金属中分数量子反常霍尔效应的理想候选平台。

文献信息

J. Ding, H. Xiang, N. Liu, et al. “Spin–Orbit-Driven Quarter Semimetals in Rhombohedral Graphene.” Adv. Mater. (2025): e12713.

文献链接：https://doi.org/10.1002/adma.202512713