1+1>2，合作共贏，似乎成為了量子材料領域比較普適的法則。在量子材料中，那些在多個自由度或能量尺度上達到微妙平衡的現象，是凝聚態物理研究的基本興趣。
當具有相似晶格常數的兩個單層石墨烯垂直堆疊且略微未對準時，則會呈現出周期性莫爾圖案，從而改變材料的電子態和相變，產生新穎的物理性質。2018年3月，麻省理工學院PabloJarillo-Herrero課題組（曹原在MIT的博士生導師）在~1.1°魔角扭曲的雙層石墨烯中發現新的電子態，可以簡單實現絕緣體到超導體的轉變，打開了非常規超導體研究的大門。
這個全新的發現，把石墨烯推向了新的發展高度，也將二維莫爾超晶格推向了前沿研究的制高點。
今日，麻省理工學院Pablo Jarillo-Herrero和加州大學圣芭芭拉分校A. F. Young等人，基于魔角石墨烯的莫爾超晶格同期發表2篇Nature，分別報道了非常規的鐵電性和磁性控制，為新一代量子材料和電子器件的革新帶來了新的方向。
1. Nature：發現超常規鐵電性
鐵電材料通常由晶胞內正負電荷的平均中心之間的空間分隔形成，具有可電切換的電偶極子。一般而言，石墨烯（僅由碳原子組成的材料）并不會表現出鐵電性。
然而，麻省理工學院Pablo Jarillo-Herrero和Qiong Ma等人在基于石墨烯的莫爾異質結構中發現非常規鐵電性能。他們發現，在兩個六方氮化硼層之間的伯納爾堆疊雙層石墨烯中，實現了可切換的鐵電。
研究人員發現，通過使雙層石墨烯與頂部或底部氮化硼晶體對齊，引入莫爾超晶格電勢后，石墨烯電阻具有明顯的磁滯行為。測試結果發現了位移場和電子填充的響應函數無比驚人，超出了常規鐵電體的范圍。進一步，研究人員利用非局部單層石墨烯傳感器直接探測鐵電極化，發現在雙層石墨烯/氮化硼莫爾系統中，存在一種非常規的奇偶校驗電子排序。
這種新興的莫爾鐵電特性，有望實現超快速，可編程且原子級超薄的碳基存儲設備。
2. Nature：發現超常規磁性切換
磁性，通常來源于費米統計和排斥性庫侖相互作用的共同作用，從而有利于實現非零電子自旋的基態。長期以來，自旋磁性只能通過電場間接控制
有鑒于此，加州大學圣芭芭拉分校A. F. Young等人首次通過實驗實現了在軌道Chern絕緣子中對磁態的直接電場控制。在該磁性體系中，非平整帶拓撲結構有利于軌道角動量的長程階數，但自旋仍然存在無序。
研究人員使用雙層旋轉堆疊的石墨烯組成的范德華異質結作為研究對象，以實現狹窄且拓撲學上不重要的谷投影莫爾微帶。在這些帶內，每個摩爾單元晶胞填充1到3個電子時，就能觀察到量子反常霍爾效應，其橫向電阻大約等于h/2e2（其中h是普朗克常數，e是電子上的電荷），表明系統自發極化為Chern數等于2的單谷投影帶。當每個摩爾單位晶胞中填充3個電子時，可以通過對化學勢的場效應控制來逆轉量子反常霍爾效應的征兆。
這種轉變具有一定的滯后性，可以用來證明非易失性電場引起的磁態逆轉。理論分析表明，這種效應是由拓撲邊緣狀態引起的，該狀態驅動磁化特征的變化，進而促進更有利的磁狀態發生逆轉。
總之，通過電壓對磁態的直接控制，可用于對手性邊緣態的非易失性磁疇結構進行電圖案化，在可重構微波電路元件以至于超低功耗磁存儲器領域都具有重要應用前景。
魔角石墨烯
未來可期
參考文獻：
1.Zhiren Zheng et al. Unconventional ferroelectricity in moiré heterostructures.Nature 2020.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2970-9
2.H. Polshyn et al. Electrical switching of magnetic order in an orbital Cherninsulator. Nature 2020.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2963-8
