近日，6163银河线路检测中心量子材料科学中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室、北京量子信息科学研究院陈剑豪教授课题组与6163银河线路检测中心谢心澄院士、刘阳研究员、叶堉研究员、人民大学季威教授、山西大学韩拯教授等合作者在双层石墨烯（BLG）和一氧一氯化铬（CrOCl）异质结构中利用高精密电容测量技术，观测到非易失态的磁电协同控制行为。相关研究成果以“双层石墨烯-一氧一氯化铬异质结构中磁电协同控制非易失态”（Magnetic-Electrical Synergetic Control of Non-Volatile States in Bilayer Graphene-CrOCl Heterostructures）为题发表于期刊《先进材料》（Advanced Materials）。

CrOCl于1961年首次合成，长期以来被视为一种传统的低对称性范德华反铁磁绝缘体。先前已发现的新兴现象包括稳定的量子霍尔态、关联绝缘态以及载流子极性重构，这些现象均出现在与CrOCl界面相连的范德华材料沟道中。由CrOCl与单层石墨烯（SLG）、双层石墨烯（BLG）以及过渡金属二硫化合物等范德华沟道组成的异质结展现出了独特的迁移率保持和关联增强的电荷转移特性。然而，先前的研究仅集中于传输（电阻）测量，这种测量方法本质上难以表征通道带隙附近载流子密度的变化；进一步，先前的工作未能展示CrOCl的磁序对范德华通道的影响。

针对这一现状，陈剑豪课题组与合作者成功构建了双层石墨烯与CrOCl的异质结构，利用精密电容测量技术发现了一种前所未有的磁电协同控制机制。当CrOCl从反铁磁（AFM）状态转变为亚铁磁类（FiM）状态时，通过磁场调控，可以观察到双层石墨烯中的电荷态密度发生显著变化，呈现出一种磁滞回线行为。这种磁滞行为仅依赖于磁化历史，而非电栅控历史，并且可以通过电学手段进行调控，从而实现了对这些非易失态的协同控制。

图1. BLG-CrOCl的电容测量电路和电容相图。(a) BLG-CrOCl器件结构和电容测量电路。(b)在B_⊥= 3 T和T = 2 K下的双栅电容相图。(c)在B_⊥= 3 T和T = 2 K下的双栅电容回滞相图。

图2. BLG-CrOCl的电容回滞和开关行为。(a)电容和(b)反对称电容回滞。(c)图1(c)中位置3处的电容回滞温度依赖性。(d) BLG-CrOCl的开关行为。

为了深入理解这一物理现象，研究组进行了第一性原理计算。计算结果表明，在CrOCl的磁相转变过程中，双层石墨烯与CrOCl之间发生了磁场控制的电荷转移。这种电荷转移导致了双层石墨烯中费米能级的显著上移，进而影响了其导电性质。研究还发现，在CrOCl的不同磁状态下，双层石墨烯与CrOCl之间的电荷转移密度和能带结构均发生了显著变化，为磁电协同控制提供了物理基础。

该研究成果不仅揭示了二维范德华异质结构中磁电相互作用的复杂性，还为新型电子器件的研发提供了新的思路。通过磁电协同控制，有望实现具有非易失性存储功能的新型电子器件，为信息技术的发展注入新的活力。

6163银河线路检测中心量子材料科学中心博士后曹世民、博士研究生郑润杰、中国人民大学副研究员王聪为该论文的共同第一作者。该论文的通讯作者包括：陈剑豪、叶堉、季威、韩拯。

上述研究工作得到了国家重点研发计划“量子调控与量子信息”重点专项、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等项目的支持。

论文原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202411300