Signatures of a ferro-Josephson effect in twisted graphene

在现代电子学领域，科学家们一直在寻找能够以新方式携带信息的材料，通常是通过操纵电子微小的磁自旋来实现。几十年来，研究的一个主要焦点是这些自旋在遇到不同磁性排列区域之间的边界（称为畴壁）时是如何表现的。在标准磁性材料中，向这种墙壁中注入电流通常只会导致墙壁滑动或卡住，这是一个由类摩擦力驱动的过程。然而，存在一种更奇特的可能性，即电流不仅会移动墙壁，还会导致其中的磁矩以一种有节奏的方式发生摆动或旋转。如果这种节奏性的运动发生，它能以一种与普通电阻本质不同的方式产生电压，创造出一种与自旋旋转速度而非电流强度相关的信号。了解这种现象是否可以在新材料中被观察到并得到控制，对于开发依赖于精确操纵电子自旋的未来技术至关重要。

一组研究人员现在在一项由扭转石墨烯层制成的专门装置中发现了这种效应的有力证据。通过将一层石墨烯叠放在三层相同的材料之上，并使它们相对于彼此轻微扭转，他们创造了一种电子以高度协调、集体方式行为的结构。当他们将该装置冷却至极低温度并施加特定的电学设置时，发现材料自发地形成了具有不同磁取向的区域。最令人震惊的发现发生在他们施加一个平行于材料表面的微弱磁场时。在磁场恰好为零时，器件的电阻剧烈飙升，但仅在有微小电流流过时才会发生。一旦电流关闭，这种飙升便立即消失。这种行为表明，电流本身正在驱动磁性边界旋转，创造出一种抵抗电流流动的动态状态。

研究人员观察到，这种电阻峰对磁场的方向和强度极其敏感。即使是仅几百微特斯拉的微弱磁场也足以抑制这种效应，迫使磁性边界锁定在一个固定位置，直到电流足够强以克服这种锁定。这种阈值电流随磁场线性增长，这一关系符合作者称之为“铁磁约瑟夫森效应”（ferro-Josephson effect）的理论预测。在这种情况下，电流充当扭矩，试图扭转墙壁内的磁矩。当磁场为零时，磁矩可以自由旋转，这种旋转运动产生了一个电压降，表现为尖锐的电阻峰。当施加微小的磁场时，它起到了刹车的作用，将磁矩固定在原位，直到电流足够强大以打破这种束缚并重新开始旋转。研究人员确认，这种效应并非由电流仅仅加热材料或推动磁墙经过物理障碍引起的，因为那些机制不会表现出对磁场如此精确的依赖性，也不会在电流移除时如此干净利落地消失。

为了证明该效应依赖于磁畴的具体排列，团队进行了实验，通过外部手段刻意重置材料的磁状态。他们发现，只有当材料包含特定比例的磁性区域时，电阻峰才会出现：一个区域中的自旋由材料内部结构牢牢锁定在垂直方向，而相邻的区域中的自旋则可以在水平平面内轻松旋转。当研究人员使用外部磁场使所有自旋沿同一方向排列时，电阻峰消失了。然而，一旦他们将磁场扫回零点，易于旋转的区域会翻转其方向，而锁定区域则保持不动，从而重新创造了产生该效应所需的边界。这种行为证实了该现象是电流流动与这两种截然不同的磁态之间的边界相互作用的直接结果。

这项研究强调，该效应运作的能量尺度远小于即使在最低实验温度下的热能，这表明它是一个纯粹的、由电子集体运动驱动的量子力学过程。研究人员指出，虽然他们的解释完美契合数据，但关于电子如何与旋转墙壁相互作用的具体细节仍在不断完善中。他们提出，这种效应可以作为一种高度灵敏的工具，用于探测这些材料内部不可见的磁纹理，为研究电子如何在复杂的量子系统中组织自身提供一种新方法。通过展示简单的电流可以诱导磁性边界产生节奏性的旋转运动，这项工作为理解如何控制并利用这些微妙的磁动力学以应用于未来的电子设备开启了新的篇章。