“魔角”石墨烯如何搅动物理学界

物理学家帕勃罗·哈里罗-埃雷罗 (Pablo Jarillo-Herrero) 感觉自己离成为摇滚明星只有一步之遥。去年三月，当他站起来在加利福尼亚州洛杉矶发表演讲时，他看到会议室的每个角落都挤满了科学家。《美国物理学会》会议的组织者不得不将会议直播到一个巨大的相邻空间，那里也聚集了站满了人的听众。“我知道我们取得了一些非常重要的成果，”他说，“但这仍然非常疯狂。”

成群结队的物理学家前来聆听哈里罗-埃雷罗在麻省理工学院（位于剑桥市）的团队如何在单原子厚的碳层（即石墨烯）中发现了奇异的现象。研究人员早就知道，这种神奇的材料可以以超高速导电。但麻省理工学院的团队迈出了巨大一步，他们将石墨烯变成了一种超导体：一种允许电流无电阻流动的材料。他们实现这一壮举的方法是将一层石墨烯叠在另一层石墨烯之上，将其中一层旋转到一个特殊的角度，即“魔角”，并将整体冷却到绝对零度以上几分之一度。这种扭曲彻底改变了双层材料的性质——首先将其变成绝缘体，然后在施加更强的电场后，变成超导体。

此前，石墨烯是通过与已知是超导体的材料结合，或通过与其他元素进行化学拼接而被诱导产生这种特性的。这种通过拨动开关就能诱导相同性质的新发现令人瞩目。“现在你以某种方式将两层非超导原子层放在一起，超导性就出现了？我认为这让所有人都感到惊讶，”俄亥俄州立大学（位于哥伦布市）的物理学家ChunNing Jeanie Lau说道。

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会议上的物理学家们更加兴奋，因为石墨烯双层似乎成为超导体的途径。有迹象表明，其非凡的特性源于电子之间的强相互作用或“关联”——这种行为被认为是一些更复杂材料中奇异物质状态的基础。其中一些材料，即在相对较高温度下（尽管仍然远低于0摄氏度）超导的材料，已经困扰了物理学家30多年。如果简单石墨烯中的超导性是由相同的机制引起的，那么这种材料可能成为理解这种现象的罗塞塔石碑。反过来，这可能有助于研究人员设计出在接近室温下超导的材料，这将彻底改变现代技术的许多领域，包括交通运输和计算。

“我立刻看到我认识的几乎每个人都变得非常兴奋，”Lau说。但当她惊叹地听着演讲时，其他人却迫不及待了。安德烈亚·杨（Andrea Young）是加州大学圣巴巴拉分校的凝聚态物理学家，他离开了会场，赶回自己的实验室。他的团队是世界上少数几个已经在探索扭曲石墨烯的团队之一，他们正在寻找最近预测的奇异行为的迹象。杨扫描了麻省理工学院小组发表在《自然》杂志上的论文（在演讲前两天发表），并找到了他复制实验所需的信息。事实证明这比预期的要困难。但到了八月，在与哥伦比亚大学（位于纽约市）物理学家兼朋友科里·迪安（Cory Dean）领导的一个小组联手后，他和他的团队成功了。“我们自己已经多次重现了它，”哈里罗-埃雷罗说。但他表示，得到第二个小组的确认“非常令人安心”。

尽管杨和迪安的合作是第一个公开其复制结果的，但幕后的活动却非常疯狂，Lau说。“自从石墨烯最初被发现以来，我还没有看到石墨烯领域有如此大的兴奋，”她说。另外三个团队告诉《自然》杂志，他们已经复制了麻省理工学院的部分或全部发现，尽管有些人对他们的成果秘而不宣，同时他们也在尝试其他二维材料，并以新的方式调整层，寻找其他强电子相互作用的表现。“每个人都在把他们最喜欢的东西拿出来，和他们另一个最喜欢的东西扭在一起，”杨说。与此同时，试图解释这种行为的理论家们已经在arXiv预印本服务器上发布了100多篇论文。但Lau表示，要弄清楚高温超导体中超导性的潜在机制是否与扭曲石墨烯中的机制相同，还需要更多的信息。“到目前为止，除了这是一个非常有趣的系统之外，”她说，“我认为理论家们在任何事情上都没有达成一致。”

发现魔角

洛杉矶哈里罗-埃雷罗演讲的听众既兴奋又怀疑。会议代表们取笑他，说上次有人展示如此酷的东西，还是简·亨德里克·舍恩（Jan Hendrik Schön），他那一连串关于超导性和其他现象的耀眼成果后来被证明是欺诈性的。“他们只是在开玩笑，”哈里罗-埃雷罗说，“但他们说他们需要看到这个结果被重现后才会相信它。”

尽管扭曲石墨烯的超导行为令人惊讶，但发生一些有趣的事情的想法并非如此。当两层石墨烯以大于几个角度的角度重叠时，它们通常会独立表现。但在较小的角度下，两个晶格的错位会产生一个“超晶格”，电子可以在层之间移动。理论家们曾预测，在特定的微小扭曲角度（魔角）下，超晶格的底层结构会显著改变电子的行为，减慢它们的速度，并使它们能够以改变材料电子性质的方式相互作用（参见“魔角”）。从理论上讲，所有类型的层状二维材料，当扭曲到合适的角度时，都可以形成这样的超晶格。但没有人知道材料的性质会发生怎样的变化，也不知道这种变化会在什么角度发生。

早在2010年，罗格斯大学新不伦瑞克分校（位于新泽西州）的物理学家伊娃·安德烈（Eva Andrei）和她的同事们就在石墨烯中看到了奇怪行为的迹象，其角度与哈里罗-埃雷罗及其团队后来观察到的魔角大致相同，但许多人怀疑该理论是否完全有效。“我不相信它，”哈佛大学（位于马萨诸塞州剑桥市）的实验物理学家菲利普·金（Philip Kim）说。“但我承认我完全错了，”他说。

当杨在三月份回到他的实验室时，他认为重现麻省理工学院小组的结果似乎是微不足道的，他说。杨的团队可以实现所需的极低温度，而且研究人员已经是制备非常干净的样品的专家。但事实证明，要让石墨烯片以恰到好处的角度（大约1.1度的扭曲）对齐，却是一项艰苦的工作。

达到这个角度很困难，尤其因为角度会因样品而异，具体取决于每个样品的制作方式。“你必须进行一些搜索，”安德烈说。此外，由于扭曲石墨烯的结构与石墨非常接近，在石墨中，连续的层都以相同的方向排列，因此最轻微的热量或应变都可能导致各层对齐。“它不想停留在你放置它的位置，”杨说。

迪安的实验室也在研究这个问题，他们找到了一个解决方案：当团队在许多器件中过度扭曲时，至少有一些样品会在它们旋转回对齐时稳定在魔角。但要让这些样品实现超导，需要能够达到绝对零度以上几分之一度的设备，而他的实验室缺乏这种设备。通过与杨的团队合作，研究人员很快测量了几个器件，在这些器件中，电阻飙升——绝缘体的特征——但当他们通过施加电场输入更多电子时，电阻又降至零，就像在超导体中一样。

到目前为止，除了哈里罗-埃雷罗的团队之外，只有另一个团队公布了他们的研究结果，但安德烈说，这种情况不会持续太久。“我认识的每个人都在研究这个，”她说。

一些非常规现象

扭曲石墨烯引起强烈兴趣的原因之一是，它的行为与非常规超导体非常相似。在许多非常规超导体中，电流在远高于传统超导理论通常允许的温度下无电阻地运行。但这种情况是如何发生的仍然是一个谜：一旦解开这个谜，物理学家们就有可能设计出在接近室温下导电零电阻的材料。实现这一目标将使电力传输效率得到极大的提高，并且通过大幅降低能源成本，使超导体能够在许多新技术中找到用途。

所有形式的超导性都依赖于电子以允许它们无电阻地移动的方式成对结合。在传统的超导体中——为磁共振成像 (MRI) 机器中的磁体供电的那种——电子只是间接地成对结合，这是粒子与其原子晶格中的振动相互作用的副产品。电子忽略它们的同伴，但最终以一种有助于它们在绝对零度以上几度的温度下无电阻地导航的方式聚集在一起。但在非常规超导体中——其中许多超导体在接近 140 开尔文的温度下以零电阻导电——电子似乎是通过直接且更强的相互作用成对结合的。

麻省理工学院的实验显示了这种非常规超导性的迹象。尽管扭曲双层石墨烯仅在极低的温度下才变成超导体，但它确实是以极少的自由移动电子实现的。这表明，与传统超导体不同，无论是什么力量将电子聚集在一起，都一定相对较强。超导态与绝缘态的接近性也反映了用陶瓷制成的一组高温超导体（称为铜酸盐）中所见的情况。在这些系统中，零电阻态通常与“莫特”绝缘体相邻——在莫特绝缘体中，尽管存在自由电子，但由于粒子之间的相互排斥将它们固定在原地，因此没有电流流动。

如果相同的机制在扭曲双层石墨烯中起作用，那么这可能是理论家的福音。铜酸盐（如钇钡铜氧化物）的一个问题是，它们是多种元素的混合物，事实证明很难建模。“希望是找到相同的现象学，但在一个更简单的系统中，理论家可以深入研究并取得一些进展，”安德烈说。

石墨烯也是实验家的梦想。研究向超导性的转变意味着测量随着更多电子被添加到材料中所发生的情况。在铜酸盐中，这是通过将不同元素的原子插入材料中来完成的——这个过程称为掺杂——这意味着为图表上的每个点制作一个全新的样品。然而，在扭曲石墨烯中，研究人员只需转动电压源上的旋钮即可实现这种切换，安德烈说。“这是一个巨大的好处。”

没有人知道扭曲石墨烯是否真的像非常规超导体一样工作，甚至不知道这种行为是否完全是因为魔角理论所描述的条件而产生的。自去年三月以来发布的如潮水般的理论论文涵盖了每一种可能性。由于扭曲石墨烯中看到的这种相关系统过于复杂，无法完全计算，因此理论家们使用从模型到模型各不相同的近似值。杨说，这使得理论具有足够的灵活性，物理学家有时可以调整理论以适应新的数据。哈里罗-埃雷罗补充说，很少有理论能充分解释这些发现，而且许多理论不包括能够让实验家区分不同情景的预测。对于“像我这样的实验家来说，它们看起来都同样合理，”他说。“我在理论领域有点迷失方向。”

到目前为止，有证据表明石墨烯中存在非常规超导性和传统超导性。哈里罗-埃雷罗说，麻省理工学院小组尚未公布的数据表明，在非常规超导体中看到的其他现象也存在于这种材料中。例如，他的团队观察到，通过称为迈斯纳效应的过程，将超导性从样品中剥离所需的磁场强度随方向而变化（在传统超导体中，磁场强度应该是均匀的）。

谨慎的方法

但杨和迪安小组的结果表明，需要更加谨慎。杨说，他们的样品比麻省理工学院小组的样品更均匀，并显示出一些对比鲜明的结果。特别是，当电子数量减少时，超导性就会出现，但当电子数量增加时，超导性不会出现，这种不对称性可以说更符合传统超导体。而且，与铜酸盐（其绝缘温度可能高于其超导温度）相比，在扭曲石墨烯中，这两种状态似乎出现在相似的温度范围内，他补充道。杨说，进一步的测试，例如查看当实验人员限制样品中的振动但仍然允许电子相互作用时，超导态是否仍然发生，可能有助于澄清情况。安德烈的小组也在原子水平上对材料进行成像，以揭示在作为一个整体研究样品时可能被冲刷掉的影响。安德烈说，她的小组的初步数据揭示了可能有助于理解潜在物理学的新现象，尽管她目前还不愿透露更多信息。

理解实验结果——以及设计在二维材料上运行良好的装置——可能是一个挑战。杨说，在这个精细的系统中，即使是用于制作电极的材料也会干扰结果。“你必须小心解释你所看到的东西，因为你不知道什么是系统的内在特性，什么是装置的影响。”杨说，超导性背后的机制很可能最终被证明是传统的，但即使它无助于解释高温超导性，它仍然令人兴奋。“这已经是过去十年中该领域最酷的成果之一，”他说。

研究人员表示，无论它是否类似于奇异形式的超导性，该系统都非常引人入胜，因为它是一个罕见的例子，说明微小的物理调整会带来巨大的变化。“仅仅这一事实就非常惊人和非凡，”迪安说。“是什么让这个系统产生了超导性，而这种超导性在偏离这个精确的扭曲角度时就不存在了呢？”

无论超导态中发生什么，物理学家们都一致认为，如果没有电子之间的某种相互作用，伴随而来的绝缘态几乎不可能解释。像金属一样，石墨烯通常是导电的，其自由电子仅与原子晶格相互作用，而不与彼此相互作用。不知何故，尽管存在这些在传统绝缘体中不存在的自由电子，但双层石墨烯可以阻止电流的流动，这表明相互作用正在发挥作用。

这令人兴奋，因为电子相互作用是过去几十年中发现的许多奇异而奇妙的物质状态的基础。这些状态包括量子自旋液体——电子磁场永不排列的奇怪无序状态——以及分数量子霍尔态，即由拓扑学定义的物质相，这是一种以前未知的统一性质，可能被用于构建极其强大的量子计算机。“理解强关联系统是目前凝聚态物理学中许多重大问题，也可能是重大机遇的所在，”杨说。这些状态中的许多状态出现在至少在电子看来与魔角石墨烯中出现的条件相似的条件下。法国帕莱索纳米科学与纳米技术中心物理学家、迪安实验室的前博士后丽贝卡·里贝罗-帕劳（Rebeca Ribeiro-Palau）表示，这提出了其他有趣的态可能从扭曲双层材料中出现的可能性。“对我来说，超导态的存在是更令人感兴趣的事情的症状，”她说。

至关重要的是，里贝罗-帕劳说，石墨烯和其他二维系统允许比其他强关联材料更大的实验控制。研究人员不仅可以平滑地调整电场以改变行为，还可以调整扭曲角度——在哥伦比亚大学时，里贝罗-帕劳和她的同事们使用原子力显微镜的尖端来平滑地旋转一层相对于另一层。正如杨和迪安的合作所证明的那样，实验人员还可以通过施加压力来微调层之间的距离。将各层挤压得更近会增加片层中电子之间相互作用的强度，这种增强意味着魔角条件可以在更大的、更稳定的旋转角度下发生。

进行扭曲

金和他的同事们已经复制了石墨烯的发现，他说。现在他们正在观察是否也能在更复杂的二维半导体（称为过渡金属二硫属化物）的扭曲层中产生超导性或磁性。在麻省理工学院的结果出现之前，金的团队是少数几个已经在探测旋转一个二维层叠在另一个二维层之上的效应的团队之一，这是一个新兴的研究领域，有时被称为扭曲电子学。随着石墨烯中展示的可能性，这个想法现在正在兴起。“原则上，你可以将这个概念应用于所有二维材料，并通过扭曲来观察会发生什么，”金说。“有可能你会发现一些完全出乎意料的东西。”

与此同时，加州大学伯克利分校的王峰（Feng Wang）表示，他和他的同事们甚至在没有扭曲的情况下，也在三层堆叠的石墨烯层中看到了超导性迹象。他说，以特定方向堆叠三层薄片可以实现类似于魔角扭曲双层材料的超晶格几何结构，并产生类似的强关联物理学。

物理学家们乐观地认为，两个先前独立的领域——二维材料和强关联系统——之间的交叉将带来令人兴奋的结果。“这为我们提供了一个与过去没有机会交谈的整个社群的人们对话的机会，”迪安说。应用物理学家们正在思考如何利用扭曲二维堆叠的异常特性，以超高效的方式存储和处理信息。旋转或挤压材料也可能成为切换电子器件行为的一种新方法。

但就目前而言，许多研究人员专注于理清基本原理。本月，实验学家和理论家将聚集在圣巴巴拉的卡弗里理论物理研究所，参加一个研讨会，讨论这个新兴领域的关键问题。哈里罗-埃雷罗希望这次会议将有助于使理论家们达成一致。“目前，他们甚至在基本原理上都无法达成一致。”他补充说，到那时，可能会有更多的实验家愿意公开他们的成果，并公开他们的数据。

尽管物理学家们不知道这项发现最终会有多重要，但杨说，自从麻省理工学院的论文发表以来出现的数十篇理论论文中，有一个重要的信息：“任何事情都可能从中产生，而且肯定会产生一些东西。”

本文经许可转载，并于2019年1月2日首次发表。