参考封面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。