解锁“魔角”石墨烯的隐藏技能

参考消息网12月12日报道英国《新科学家》周刊12月3日刊登题为《隐藏在超薄材料中的奇特量子效应曝光》的封面文章，作者是菲利普·鲍尔。全文摘编如下： 2018年3月，在洛杉矶会议中心举行的美国物理学会年度会议气氛非常热烈。为了容纳更多听众，会议已经转移到中庭，但人们仍然不得不挤到阳台上观看活动。 有传言说，麻省理工学院的物理学家巴勃罗·哈里略-埃雷罗有重大成果发布，此前他和同事一直开展石墨烯实验。石墨烯是从石墨(就是铅笔芯的主要成分)上剥离下来、只有单个原子厚度的碳层，已经因为具备多种前景广阔的电子特性而闻名。

扭曲石墨烯的惊喜

哈里略-埃雷罗在会上展示，如果将两片石墨烯叠加，然后扭曲或旋转，当其中一片相对于另一片形成特定的“魔角”时，石墨烯或是成为绝缘体，其电流几乎停止，或者成为超导体，其电流电阻为零。这是一个惊人的绝技展示，而且可能意义重大，因为超导体有望应用于从量子计算到核聚变等各个领域。

从那以后，研究人员利用扭曲的石墨烯生成了各种奇特的量子效应，包括能呈现出磁涡旋态，并具备奇异电子特性的“准粒子”。哈佛大学的阿米尔·亚科比说：“令人兴奋的是，它们蕴含带来惊喜的巨大潜力。”

更加振奋人心的是，这一旅程几乎还没起步。现在，我们可以通过增加石墨烯的层数或替换成其他材料来得出类似效应，进而深入研究隐藏在二维材料中的全新物理学。

研究这些扭曲的堆垛物质提供一种新方法来探究材料的根本性质，更具体地说，是探究原子排列如何影响其特性。

就石墨烯而言，碳原子由蜂巢状的六边形晶格相互连接，在这些晶格带中，电子可以自由穿梭。事实上，如果是蜂巢状晶格结构没有任何瑕疵的完好石墨烯，理论上其电子能以光速移动，就好像根本没有质量一样。

但是，如果有两层石墨烯，而且相对其中一层扭曲另一层，就能改变电子的移动方式。哈里略-埃雷罗说：“如果电子拥有大量动能，移动速度极快，就几乎没有时间相互作用。”但他补充说，由于电子在扭曲的双层石墨烯中移动放缓，情况发生了变化。强大的相互作用意味着电子运动变得相互间非常敏感和依赖。用术语说，就是它们变得高度相关——事情正是从这里开始变得有趣，因为相关的电子能够完成本来不可能完成的壮举。

要寻找怪异的电子特性，就要让电子相关；要让电子强相关，扁平材料就是最保险的选择。三维结构中，电子有更多方式彼此远离；而在二维结构中，特别是石墨烯这类片状导体，电子更有可能聚集起来上演绝技。

“魔角”或成“调节旋钮”

美国拉特格斯大学的伊娃·安德烈及其同事已经瞥见“魔角”效应，他们在两层叠放的石墨烯样本中看到电子能量水平发生的怪事。当一层经旋转与另一层形成约1度的相对角度时，这种效应尤其明显。

最大的“魔角”约为1.16度，这仍然十分微小，需要极端精细地控制石墨烯薄层的方向。但哈里略-埃雷罗看出，这种扭曲角度有可能成为电子特性前所未有的新“调节旋钮”，因此决定试一试。

2016年，他的研究团队在扭曲的双层石墨烯中发现了第一则证据，证明电子带中的动能很小。于是研究人员加紧推进，寻找一种叫做Mott绝缘体的非导电态，他们认为这种非导电态可能源自电子的强相关。

果然，2018年哈里略-埃雷罗的研究团队也观察到这种行为，此外还发现了更有趣的现象。如果研究人员改变电压来微调携带电流的电子数量，就能获得超导体。与所有超导材料一样，这种超导行为只出现在极低温度下——低于1.7开尔文，也就是只比绝对零度高出不到2摄氏度。哈里略-埃雷罗说，没人预料到这一点。

于是，研究人员迅速蜂拥研究“魔角”石墨烯产生的奇特电子效应。激励他们的不仅是可能发现新的基础物理学，还有对超导体的需求。超导体可用于量子计算机的量子比特中，利用量子物理学的特殊定律来加速特定计算，还能用于需要强磁场的技术，比如磁共振成像(MRI)仪器和核聚变反应堆。

产生磁场的方式之一是为线圈通电。对超导线圈加大电流强度能产生强大得多的磁场。但是，超导线圈必须保持极低温度，处理起来并不容易。这就解释了为什么有些人对这种可能性很感兴趣：“魔角”石墨烯的超导行为或许能提供一种方式，让人们最终理解为什么某些铜基化合物能在135开(零下138摄氏度)的相对温暖环境下表现出超导行为。这种超导行为是近40年前首次报道的，此后一直困扰着学术领域。

哈里略-埃雷罗说：“我们还不知道，‘魔角’石墨烯是否有助于我们了解铜酸盐的超导性从何而来。”他说，铜酸盐和“魔角”石墨烯都是堆垛材料，还有其他共同特性，但也有很多不同。他说：“我的直觉是，会(有所帮助)，但现在下结论还为时过早。”

新发现蕴含无限可能

不管怎样，从“魔角”石墨烯中发现了大量引人注目的现象。例如，它能像铁一样，生成铁磁性。2019年，斯坦福大学材料和能源科学研究所的戴维·戈德哈贝尔·戈登及其同事通过操纵“魔角”石墨烯的电子带，得以首次观察到石墨烯的铁磁特性。

事实证明“魔角”石墨烯还是发现新奇“准粒子”的沃土，包括携带分数电荷的准粒子。这些分数准粒子不只为满足科学界的好奇心，也能服务于实际利益，因为它们与“任意子”——一种为量子计算苦苦寻觅的假想准粒子——惊人地相似。

根据粒子物理学的标准模型，所有基本粒子都可归为两大类：一种是费米子，比如电子，另一种是玻色子，比如光子。准粒子通常也遵循这样的二分法。但是，任意子如果存在，就介于玻色子和费米子之间。有人提出将特定类型的任意子当作量子比特，能避免出现导致量子计算错误的随机翻转——这正是目前量子计算机难以大展拳脚的主要障碍之一。

新发现不断涌现。2021年3月，哈佛大学的阿什温·维什瓦纳特及其同事基于名为“斯格明子”的准粒子，提出了扭曲的石墨烯具有超导性的理论。今年早些时候，哈里略-埃雷罗在三层石墨烯中发现了超导性，哈佛大学菲利普·金领导的研究团队也独立得出这一结果。哈里略-埃雷罗的研究团队后来证明，即使在四层和五层石墨烯中也存在超导性。

哈里略-埃雷罗说：“短短几年，通过将非常简单的材料结合起来，我们几乎实现了凝聚态物理学的所有阶段。想想就觉得不同寻常。”

我们应该会迎来更多惊喜。哈里略-埃雷罗最初在石墨烯中发现超导性时，是完全出乎意料的。尽管此后取得了上述进展，但他坚称，“我们能制造出成百上千的摩尔结构，而且成分、几何形状和复杂程度都截然不同，但是现在几乎还没摸到门路。”面对充满各种可能性的未知前景，我们仅仅迈出头几步。

审核编辑 ：李倩