材料的“鐵性”指的是即使在不施加外場（電場、磁場、應力等）的情況下，某些性質依然具備特定取向的現象。目前發現的鐵性包括鐵磁性、鐵電性、鐵彈性等。舉例來說，鐵磁材料中電子的自旋可以在沒有外加磁場時統一排列朝向同一方向，使得材料產生宏觀的磁性。同時具有上述多種鐵性的單相材料被稱為“多鐵材料”。鐵性材料具備的特定取向可被當作信息存儲的基本單元，因而多鐵材料具備的多重鐵性天然可以存儲更多信息。多鐵材料中的不同鐵性之間如果產生耦合，將會為信息操縱和處理提供更多可能，有望實現低能耗和高效的信息處理。雖然具有廣闊的應用前景，多鐵材料卻非常少見，尋找新的鐵性，新的多鐵材料，更強的多鐵耦合，是凝聚態物理中的一個重要方向。

石墨烯是一種完全由碳原子構成的單層材料。我們日常使用的鉛筆芯由石墨構成，它是一種層狀材料，如果將石墨變薄直至單層就獲得了石墨烯。通常認為石墨和石墨烯并不具有磁性，出乎意料的是，近日美國麻省理工學院物理系巨龍課題組發現菱方堆疊的五層石墨烯是一種多鐵材料。它不但具有鐵磁性，同時還有一種全新的鐵性—鐵谷性。不同于傳統鐵磁材料中電子自旋導致的磁性，這里的鐵磁性和鐵谷性均由電子的軌道運動導致，因此更容易被電場和磁場控制。

鐵性來源于電子間的關聯和相互作用。通常材料中電子動能比相互作用大得多，此時電子以很高的速度橫沖直撞，行為雜亂無章。當電子運動速度變得很低，電子開始感受到其他電子的相互作用，進而統一步調變得有序，這種有序態就是鐵性。巨龍課題組發現天然存在的五層石墨烯中有一種特殊的堆疊方式——菱方堆疊，在這種堆疊的石墨烯中電子運動會變得很慢，出現了很多新奇的電子關聯現象（Han, T., Lu, Z. et al.Nat. Nanotechnol.2023.）。然而這種堆疊方式是一種亞穩態，在制備樣品的過程中隨時可能變成其他的結構。經過探索，課題組制備了高質量的菱方堆疊的五層石墨烯，并在低溫環境中進行了電學輸運測量。

他們發現五層石墨烯具有鐵磁性。與常規鐵磁材料不同的是，這里磁性并非來源于電子自旋（類似于電子的自轉），而是來自于電子的軌道運動（類似電子的公轉）。這種軌道運動可以被電場調控，在不加電場時，系統的磁矩為零，隨著施加電場的增大，系統磁矩也近似線性增加。這種“電控磁”效應體現了系統中存在巨大的磁電耦合，在應用中有很大價值。

更新奇的是，課題組還發現了一種全新的鐵性——鐵谷性。低能的電子能帶被稱為“能谷”，在石墨烯中有兩個具有相同能量但不等價的能谷，通常電子會均勻分布在兩個能谷中。但在五層石墨烯中，由于電子間的相互作用，電子選擇全部進入同一個能谷。這種電子分布的選擇性是一種新的鐵性，由于系統中同時存在鐵磁性，五層石墨烯實際上是有兩種鐵性共存的多鐵材料。

該研究同時展示了這兩種鐵性均可以被電場方便地調控，未來可被用于制作更高效且低能耗的電子器件。

巨龍課題組長期關注石墨烯等二維材料體系中的強關聯與拓撲效應，近年來在菱方堆疊多層石墨烯系統中有一系列進展。本月初，在同樣的菱方堆疊五層石墨烯樣品中，課題組報道了其中關聯絕緣態，陳氏絕緣態，以及多種對稱性破缺金屬態（Han, T., Lu, Z. et al.Nat. Nanotechnol.2023.）。菱方堆疊多層石墨烯體系已成為一個重要的研究強電子關聯與拓撲效應的新平臺。