Orbital longitudinal magnetoelectric coupling in rhombohedral multilayer graphene

石墨烯 凝聚态物理 多铁性 材料科学 偶极子 磁电效应 联轴节(管道) 磁矩 三角晶系 极化密度 磁滞 磁化 极化(电化学) 磁偶极子 量子 磁场 电场 非线性系统 物理 极地的 电偶极矩 双层石墨烯 磁性
作者
Jin-Xin Hu,Justin C. W. Song
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:123 (5): e2506751123-e2506751123
标识
DOI:10.1073/pnas.2506751123
摘要

Magnetoelectric coupling enables the manipulation of magnetization by electric fields and polarization by magnetic fields. While typically found in heavy element materials with large spin–orbit coupling, recent experiments on rhombohedral-stacked pentalayer graphene have demonstrated a longitudinal magnetoelectric coupling (LMC) without spin–orbit coupling. Here, we develop a microscopic theory of LMC in layered quantum materials and identify how it is controlled by a “layer-space” quantum geometry. Focusing on rhombohedral multilayer graphene systems, we find that the interplay between LMC and valley-polarized order produces a butterfly shaped magnetic hysteresis controlled by out-of-plane electric field: a signature of LMC and a multiferroic valley order. Furthermore, we identify a nonlinear LMC in rhombohedral multilayer graphene under time-reversal symmetry, while the absence of centrosymmetry enables the generation of a second-order nonlinear electric dipole moment in response to an out-of-plane magnetic field. Our theoretical framework provides a quantitative understanding of LMC, as well as the emergent magnetoelectric properties of rhombohedral multilayer graphene.

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