摘要：菱形多层石墨烯（RMG）是一种新型的二维材料，因其独特的电子结构和磁性行为成为了研究热点。与传统的磁性材料不同，RMG的磁性源自于接近范霍夫奇点的流动电子，而非局域化的电子轨道。这种流动性和局域化的混合特性使得RMG在电子学和磁性研究中具有特殊的地位。

菱形多层石墨烯（RMG）是一种新型的二维材料，因其独特的电子结构和磁性行为成为了研究热点。与传统的磁性材料不同，RMG的磁性源自于接近范霍夫奇点的流动电子，而非局域化的电子轨道。这种流动性和局域化的混合特性使得RMG在电子学和磁性研究中具有特殊的地位。

然而，RMG中磁性行为的起源仍存在争议，特别是它是否可以被完全用传统的局域化模型（如哈伯德模型）来描述。尤其在较高温度下，RMG表现出异常大的熵和磁化率，暗示着存在波动的局部磁矩，这与流动电子的行为不太相符，提出了磁性机制上的挑战。

成果简介

为了解决这一问题，加利福尼亚大学Andrea F. Young团队在Nature期刊上发表了题为“Fluctuating magnetism and Pomeranchuk effect in multilayer graphene”的最新论文。

研究提出了基于等自旋局域化的理论模型，成功解释了RMG中电荷和磁性自由度的解耦现象。这些研究表明，尽管电子波函数具有流动性质，单个电子的自旋和谷极化是解耦的，类似于固态3He中的局部磁矩行为。此外，实验结果显示，RMG中的波动磁矩与电子—声子散射的相互作用导致了有限温度下的电阻最小值，进一步验证了这一理论。

因此，RMG不仅为研究二维平带系统中的磁性提供了新的视角，也推动了关于流动电子与局域化磁矩相互作用的理论和实验研究，为未来基于RMG的电子器件和量子计算开辟了新方向。

研究亮点

（1）实验首次观察到菱形多层石墨烯（RMG）中的磁性行为，发现其磁性起源于接近范霍夫奇点的流动电子，而非传统的局域磁矩。通过电子熵的测量，研究揭示了波动磁矩的特征，这一现象与完全流动金属中的电子行为不符。实验中发现，电子熵的贡献为ΔS≈1 kB，每个电荷载流子在居里温度开始表现出这一特性，并在温度变化一个数量级的范围内保持稳定。

（2）实验通过对RMG中波动磁矩的进一步研究，发现了等自旋“波梅朗丘效应”，即波动的磁矩相较于费米液体相在熵上更为有利。此外，实验还发现，在波动磁矩区域内，有限温度下的电阻最小值，这表明波动磁矩与电子—声子散射之间存在相互作用。通过对R2G的研究，发现了等自旋熵的显著增加，且这一现象支持了电荷和磁性自由度解耦的理论模型。

（3）实验结果表明，尽管电子波函数具有流动性，RMG中的单个电子表现出类似于局部磁矩的行为，尤其是在等自旋模式下，揭示了二维平带系统中软等自旋模式的普适性。这为未来研究RMG以及类似二维材料中的磁性和超导性提供了新的视角。

图文解读

图1：伯纳尔双层石墨烯和菱形三层石墨烯中的静态与波动磁性。

图2：R2G中的等自旋熵和波梅朗丘效应。

图3：金属R2G中的负温度系数

结论展望

本文的研究为理解二维平带系统中的磁性行为提供了新的视角，尤其是针对菱形多层石墨烯（RMG）系统。通过实验观察到RMG中流动电子的磁性行为，研究揭示了软等自旋模态的存在，并指出这些模态在低温下的行为与理论预测一致，类似于双层石墨烯中的现象。这一发现挑战了传统的磁性理论，尤其是局部磁矩模型，提出了在没有晶格或摩尔势能的情况下，如何在费米波长尺度上实现等自旋熵和波梅朗丘效应的问题。

此外，实验结果表明，电子的自旋和谷极化是解耦的，尽管电子波函数具有流动性，这一现象通常与局部磁矩相关，提示我们在研究类似材料时，可能需要重新审视电子行为的理论框架。此研究不仅为探索RMG及类似系统的磁性和超导性提供了理论支持，还促使我们思考如何构建一个能够描述没有摩尔势能或局域电子轨道的平带系统物理的新框架。

文献信息

Holleis, L., Xie, T., Xu, S. et al. Fluctuating magnetism and Pomeranchuk effect in multilayer graphene. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08725-5

来源：MS杨站长