二维材料中的蜂窝晶格具有电子谷，它作为一种内部自由度类似于自旋。但由于其轨道性质，通过电场、磁场和光的圆偏振更容易控制这个谷。利用谷进行信息存储、传输和处理的可能性已经推动了谷电子学领域的深入研究。与此同时，这些材料还具有可以通过调控能带结构来控制的量子几何效应，包括谷相关的霍尔效应和轨道磁性。与电子自旋相比，后者在磁场中可能表现出更大的耦合。这些由轨道自由度驱动的现象为先前未知的铁电序提供了丰富的研究基础，从而保证对外部场的大响应和多功能器件应用。例如，信息可以存储在具有不同谷和磁性特征组合的多种状态中，而不仅仅是受限于自旋的二进制状态。此外，这些状态可以方便地通过电场进行操作。尽管轨道多铁体提供了许多应用和理论建议，以实现在石墨烯和过渡金属二硫化物异质结构中的多铁体现象，但独立切换谷和磁性仍然是困难的。

最近，由电子相关效应引起的自发铁极化和轨道磁性在菱形、双层和三层石墨烯以及扭转石墨烯层中已经观察到。尽管观察到了磁滞，但铁性和轨道磁化始终是相互锁定的。这是因为要生成用于斯通纳不稳定性的平带需要一个较大的栅极电场，或者在莫尔超晶格的固定能带结构中。谷和磁化之间的一一对应关系阻止了它们的独立控制和实现多铁性。在扭转的单层-双层石墨烯中，观察到通过电荷掺杂在一个固定的谷中翻转轨道磁化的现象。在一般的材料环境中，没有莫尔超晶格的情况下，了解体态对铁谷电子和铁轨道磁性序的贡献是至关重要的，而不带有边缘态的复杂性。然而，自然晶体中的轨道多铁性尚未被观察到。

02. 成果掠影

鉴于此，美国麻省理工学院物理系巨龙和哈弗大学Hongkun Park等人探讨了具有菱形层叠结构的五层石墨烯中的轨道多铁性。研究故意扭转了石墨烯与六方氮化硼层之间的夹角，使其远离零度，以避免莫尔超晶格效应。与此同时，系统的反演对称性确保了贝里曲率为零。当通过电场开启带隙时，靠近能带边缘的态会获得非零的贝里曲率。贝里曲率的符号、反常霍尔电阻R_xy和轨道磁化取决于谷指标和E。这些结果清楚地表明在菱形石墨烯中，谷和轨道磁性是两个独立的序参量。因此，在五层石墨烯中，可能存在四个谷极化状态，也就是形成了一个谷磁“四重奏”，分别为（K，+M）、（K，-M）、（K'，+M）和（K'，-M），每个状态的费米表面穿过其中一个四个能带。五层石墨烯中的可调贝里曲率平带为电子相关性和量子几何效应提供了丰富的研究领域。相关研究成果以“Orbital multiferroicity in pentalayer rhombohedral graphene”为题，发表在顶级期刊《Nature》上。