半导体情报，科学家发现三维扭曲石墨烯螺旋中的极大磁阻现象！

【科学背景】

极大磁阻（XMR）是自旋电子设备中的重要现象，具有广泛的应用前景，如磁传感器、磁性存储器和硬盘驱动器等。近年来，XMR 的研究成为了材料科学的热点，特别是在 Weyl 半金属中，这些材料以其完美的电子-空穴对称性和极高的电导率而著称。然而，这些半金属在实际应用中仍面临挑战，例如样品质量和稳定性问题，这限制了 XMR 现象的进一步探索和应用。鉴于此，科学家们转向了新兴的二维材料系统，如石墨烯摩尔超晶格，作为研究 XMR 的新平台。

在这种背景下，上海科技大学刘健鹏课题组、王竹君课题组、李军教授等研究者们开发了三维交织的扭曲石墨烯螺旋（TGS）系统，并对其电子性质进行了深入探讨。通过操控螺旋位错轴以实现 7.3° 的旋转角度，研究人员观察到了在 14 T 磁场下和 2 K 温度下，TGS 结构的磁阻达到 1.7 × 107%，并伴随着金属-绝缘体转变。这一转变在磁场超过约 0.1 T 时变得明显，表明在 3D TGS 系统的部分填充三维朗道能级中存在复杂的关联态。这些研究结果不仅为 XMR 提供了新的实现平台，也推动了对二维层状摩尔系统中拓扑结构的工程化探索。

【科学亮点】

（1）实验首次探讨了三维交织扭曲石墨烯螺旋 (TGS) 系统中的极大磁阻 (XMR) 现象。研究发现，在14 T 磁场和2 K 温度下，这些结构的磁阻达到了创纪录的 1.7 × 107%。这一发现主要得益于TGS系统中的拓扑结构和高质量晶体形成。

（2）实验通过对三维TGS系统的量子振荡测量，识别出两个不同的频率，分别对应于4.67 T的电子区域和6.67 T的空穴区域，这些结果与霍尔效应测量结果一致。这表明该系统中存在复杂的电子-空穴补偿效应，可能是由于层间距变化和远程带重整化效应导致的粒子-空穴对称性扰动。

（3）在施加外部磁场时，观察到从金属到类似绝缘体的显著转变。该转变的临界温度 T* 在 3 T 以上的磁场中稳定在约 26.9 K，表明3D零级朗道能级的填充开始。这种现象可能与电子之间的关联效应有关。

（4）实验还发现，随着温度升高，磁阻的显著增加（1.7 × 107%）与金属-绝缘体转变密切相关。这种增加与类似于魔角扭曲双层石墨烯中观察到的同旋 Pomeranchuck 效应相似。我们的结果为通过工程化二维层状摩尔系统的拓扑结构实现 XMR 提供了新的可能性。

【科学图文】

图1：在施加 7 T 磁场下的各种半金属中的 XMR。

图2：扭曲石墨烯螺旋的结构分析。

图3：量子振荡。

图 4：扭曲石墨烯螺旋中的异常金属-绝缘体转变。

【科学结论】

本文通过在三维扭曲石墨烯螺旋（TGS）系统中首次观察到的极大磁阻（1.7 × 107%），展示了摩尔系统中独特的电子行为和其对磁场响应的潜力。这一发现表明，通过精细调控材料的拓扑结构和高质量晶体形成，可以在二维层状摩尔系统中实现前所未有的磁阻效应。这为材料科学界提供了新的思路，展示了如何利用结构设计和电子调控来探索和利用新的物理现象。

其次，实验中识别出的两个不同频率的量子振荡和与之相关的金属-绝缘体转变，揭示了在三维朗道能级中可能存在的复杂关联态。这不仅挑战了传统的磁阻理论，还提示我们需要重新审视和扩展对材料中电子行为的理论框架。特别是在磁场作用下，材料的电子态可以发生显著的变化，这对设计具有特殊磁电性质的材料和器件具有指导意义。

文献详情：Zhang, Y., Xie, B., Yang, Y. et al. Extremely large magnetoresistance in twisted intertwined graphene spirals. Nat Commun 15, 6120 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50456-0