石墨烯這種人人喜愛的神奇材質似乎永遠都有驚喜。麻省理工學院的物理學家現在又發現了隱藏在這種性能卓越的小材料中的另一種全新的電子狀態–他們給這種狀態起了一個奇怪的名字–“鐵谷性”。

五層石墨烯堆疊中的電子呈現出奇特的多鐵性新狀態的藝術家印象圖

石墨烯本質上只是一塊超薄的普通石墨薄片–事實上，它薄到只有一個原子厚。但是，儘管石墨烯的起點如此卑微，它卻具有超強、超導、柔韌等特性，並有望徹底改變從電子產品、服裝到航空航天工程等一切領域。當你開始堆疊石墨烯薄片，甚至將它們扭曲到特定角度時，其他非凡的能力就會顯現出來，例如磁性或超強的透水性。

在新的研究中，麻省理工學院的研究團隊又發現了另一種材料–“多鐵性行為”，這在材料界是非常罕見的。鐵性材料是指其粒子具有協調行為的材料–例如，磁鐵的所有電子即使在沒有外部磁場的情況下也會將自旋指向同一方向。多鐵性材料是指顯示不只一種協調行為的材料，例如，磁性指向一個方向，而電荷指向另一個方向。

研究人員計算出，在非常特殊的情況下，石墨烯應該成為多鐵性材料。從理論上講，只有當五層石墨烯疊放在一起，每層略有偏移，使三維整體形成菱形時，才會出現多鐵性。

在五層石墨烯中，電子恰好處於晶格環境中，它們的移動速度非常緩慢，因此可以有效地與其他電子相互作用。這時電子相關效應開始占主導地位，它們可以開始協調成某些優先的鐵氧體秩序。

接下來，研究團隊開始在實踐中證實這個理論，他們從石墨塊上刮下石墨烯薄片，並用強力顯微鏡進行檢查，以找到一些自然具有理想菱形形狀的石墨烯。然後，他們將發現的幾種石墨烯分離出來，在略高於絕對零度的溫度下進行研究，在這種溫度下，其他效應會減弱，因此只有他們正在尋找的石墨烯才能發光。

果然，研究團隊發現，這些特殊薄片中的電子對一個方向的電場和另一個方向的磁場反應一致，證實了多鐵行為。但即使是這些單獨的行為也是不尋常的–磁性產生於電子軌道運動的協調，而不是它們的自旋。電子行為產生於電子優先進入一個”谷”（或最低能量狀態），而不是平均進入兩個谷。因此，研究團隊將這種奇特的電子狀態稱為”鐵谷性”。

“我們知道在這種結構中會發生一些有趣的事情，但我們不知道具體是什麼，直到我們進行了測試，”該研究的共同第一作者盧正光說。”這是我們第一次看到鐵谷電子學，也是我們第一次看到鐵谷電子學與非常規鐵磁體共存”。

研究人員說，這種奇特的行為最終可以被利用來有效地將晶片的資料儲存容量提高一倍。

這項研究發表在《自然》雜誌。