編譯 許林玉

僅僅通過扭轉(zhuǎn)石墨烯薄片，即可獲得新型的超導(dǎo)性，這讓物理學(xué)家們欣喜若狂，而它的發(fā)現(xiàn)者曾差點不堪重負(fù)。

將兩片石墨烯精確旋轉(zhuǎn)至1.1度非常困難，但這種“魔角”會產(chǎn)生非凡的效果

帕布洛·賈里洛-赫雷羅（Pablo Jarillo-Herrero）把他充沛的精力用在晨跑上，他一邊跑一邊躲避受驚的行人，漸漸地消失在遠(yuǎn)方。如果不是穿著便服外套、休閑褲和正裝鞋，而且局限在麻省理工學(xué)院校園內(nèi)縱橫交錯的長廊中，他無疑會跑得更快。但他的決心彌補(bǔ)了運動裝備和跑道的不足，因為他知道，座無虛席的禮堂正等著他登上領(lǐng)獎臺。

賈里洛-赫雷羅從來就不是一個懶散的人，但自從他于2018年3月宣布他在麻省理工學(xué)院的實驗室發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯（一層一個原子厚的碳晶體堆疊在另一層上，然后旋轉(zhuǎn)，使兩層稍微傾斜）的超導(dǎo)性以來，他的活動較之以前增加了好幾倍。

突然需要站在一個熱門領(lǐng)域的前臺，這一切讓賈里洛-赫雷羅疲于應(yīng)對，而這個領(lǐng)域已經(jīng)有了自己的名稱——轉(zhuǎn)角電子學(xué)。他說：“現(xiàn)在可能有超過30個團(tuán)隊已著手進(jìn)行研究，三年之后這一數(shù)字將達(dá)到100個。實際上，該領(lǐng)域正處于爆發(fā)狀態(tài)?！闭埱笏窒砑夹g(shù)的邀請紛至沓來，他的演講日程增加了很多，但邀請的數(shù)量似乎仍然有增無減，就連他的學(xué)生也不得不拒絕一些演講邀請。在2019年3月舉行的美國物理學(xué)會年會上，他的演講會場座無虛席，連外面都站滿了人，他們希望捕捉到哪怕是演講的只言片語。

自2004年發(fā)現(xiàn)可以用一片透明膠帶將石墨烯從石墨上剝離出來以來，這一發(fā)現(xiàn)成了固態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域的最大驚喜。它引發(fā)了凝聚態(tài)物理學(xué)家的狂熱競賽，他們競相探索、解釋并擴(kuò)充麻省理工學(xué)院的成果，這些成果后來在多個實驗室得到了復(fù)制。

賈里洛-赫雷羅的同事們猜測，他將憑借扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯方面的工作獲得諾貝爾獎

對超導(dǎo)性的觀察為物理學(xué)家創(chuàng)造了一個意想不到的游樂場。其實際目標(biāo)顯而易見：找到一條實現(xiàn)更高溫度超導(dǎo)的途徑，研發(fā)出可能徹底改變電子技術(shù)的新型設(shè)備，甚至可能加快量子計算機(jī)問世的速度。但更為微妙、也更為重要的是，這一發(fā)現(xiàn)為科學(xué)家們提供了一個相對簡單的探索奇異量子效應(yīng)的平臺?！霸谶@個魔角平臺上可以探索到無數(shù)的新奇物理?！备鐐惐葋喆髮W(xué)物理學(xué)家科里·迪恩（Cory Dean）說，他是第一批復(fù)制這項研究成果的人之一。

為了盡快展現(xiàn)出這一驚人的發(fā)現(xiàn)，賈里洛-赫雷羅的團(tuán)隊必須在雙層石墨烯中確定一個精確地且令人難以捉摸的扭轉(zhuǎn)。長期以來，人們一直覺得扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯中的這個“魔角”有趣，但沒有人曾想到它會如此有趣。新加坡國立大學(xué)物理學(xué)家安東尼奧·卡斯特羅·內(nèi)托（Antonio Castro Neto）表示：“根據(jù)我們的現(xiàn)有知識來預(yù)測超導(dǎo)性是一件很瘋狂的事，但科學(xué)的進(jìn)步不是發(fā)生在我們理解某些事情的時候，而是在實驗中發(fā)生完全出乎意料的事情的時候?！?/p>

難以置信

2007年，內(nèi)托提出了一個設(shè)想：將兩張未對齊的石墨烯片堆疊在一起可能會產(chǎn)生一些新的特性。他后來又提出石墨烯可能會在某些特定條件下變成超導(dǎo)體的假設(shè)?！拔覐膩頉]有將這兩個想法聯(lián)系在一起?！彼f道。

美國和歐洲的幾個研究團(tuán)隊迅速行動起來，開始研究扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯的特性。2011年，美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的理論物理學(xué)家阿蘭·麥克唐納（Allan MacDonald）鼓勵同事們探索雙層石墨烯處于特定“魔角”時的有趣特性。像其他理論物理學(xué)家一樣，麥克唐納關(guān)注的重點是這兩張石墨烯片如何通過錯位堆疊顯現(xiàn)與角度有關(guān)的摩爾紋圖案。但是，當(dāng)其他人還在為“確定一個電子將如何受到摩爾細(xì)胞中成千上萬個原子的影響”而絞盡腦汁時，麥克唐納想到了一個簡化的概念。

他認(rèn)為摩爾細(xì)胞本身具有一種性質(zhì)，這種性質(zhì)嚴(yán)格地隨旋轉(zhuǎn)角度而變化，或多或少地獨立于構(gòu)成它的原子。這一性質(zhì)至關(guān)重要：小隔室中的自由電子必須獲得或釋放能量，才能在兩張石墨烯片之間形成通道，這種能量差通常足以成為層間隧道穿越的屏障。但是麥克唐納計算出，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度從一個較大的角度縮小時，隧穿能量將會縮小，最終在達(dá)到1.1度時完全消失。

當(dāng)這種隧穿能量變小時，石墨烯片中的電子就會減速，彼此之間緊密相連。麥克唐納并不知道接下來會發(fā)生什么，他推測，或許高導(dǎo)電性石墨烯片會變成絕緣體，或者這種扭轉(zhuǎn)會產(chǎn)生磁性。麥克唐納表示：“坦率地說，我沒有辦法確切說明在這種緊密相關(guān)的系統(tǒng)中會發(fā)生什么。當(dāng)然，超導(dǎo)是你最希望看到的東西，但我沒有勇氣對此進(jìn)行預(yù)測。”

麥克唐納的想法基本上都落空了。當(dāng)他將論文寄給期刊尋求發(fā)表時，評審人員認(rèn)為他的簡化假設(shè)無法取信，而這篇論文在發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》之前曾被幾個期刊拒之門外。然而，即使在該論文發(fā)表之后，也幾乎沒有實驗者對其進(jìn)行研究。迪恩說：“我不確定我們會從中得到什么，感覺就像猜想一樣，所以我們把它放在一邊?！?/p>

哈佛大學(xué)物理學(xué)家、扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯實驗領(lǐng)域的領(lǐng)頭人菲利普·金（Philip Kim）尋找這個魔角的工作同樣進(jìn)展緩慢。金說，事實上，他和該領(lǐng)域的其他許多人正準(zhǔn)備徹底放棄扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯，他們覺得其他新材料可能會帶來更令人興奮的機(jī)遇。

但賈里洛-赫雷羅沒有放棄。在2011年麥克唐納發(fā)布預(yù)測之前，賈里洛-赫雷羅已經(jīng)對扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯進(jìn)行了一年的研究。即使有位同事提醒他這么做可能在浪費時間，他仍然相信這其中必有乾坤。

他知道，所面臨的挑戰(zhàn)在于需獲得一對超潔凈且高度均勻的石墨烯片，克服材料本身保持天然角度與保持1.1度角的對立。石墨烯片具有相互對齊的強(qiáng)烈傾向，并且在被迫進(jìn)入偏移位置時，這種超柔性石墨烯片容易變形。

賈里洛-赫雷羅的團(tuán)隊開始精心打磨制造過程的每道工序：從制作和清潔石墨烯片，到以正確角度排列，最后將它們堆疊到位。為了防止污染，測量必須在接近真空的條件下進(jìn)行；而成品則必須冷卻至絕對零度左右，才能很好地觀察到相關(guān)的電子特性。在溫度較高的情況下，電子運動的能量太大，沒有機(jī)會產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用。

該實驗室制造了數(shù)十種扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯片的“裝置”（研究人員稱之為裝置），但都沒有顯示出明顯的電子相關(guān)性。然后，在2014年，他的一個學(xué)生給他帶來了一個裝置，當(dāng)暴露在電場中時，該裝置顯示出明顯的絕緣性能。賈里洛-赫雷羅只是將該裝置放在一邊，并繼續(xù)制造新裝置。

2017年夏天，21歲的博士生曹原已經(jīng)是麻省理工學(xué)院的三年級研究生。他為賈里洛-赫雷羅帶來了一種新裝置，和以前一樣，電場將該裝置變成了絕緣體。但這一次，他們試著將磁場調(diào)高一些，它突然又變成了超導(dǎo)體。

在接下來的六個月中，實驗室復(fù)制出了這些結(jié)果，并最終確定了測量結(jié)果。這項工作是在嚴(yán)格保密的情況下完成的，打破了扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯領(lǐng)域通常高度開放和協(xié)作的文化。賈里洛-赫雷羅說：“我們一直在分享有關(guān)該領(lǐng)域的想法和數(shù)據(jù)，但我們也很有競爭力。”

2018年1月，他寫了一篇論文，然后打電話給《自然》雜志的一位編輯，解釋他的研究工作，并要求《自然》雜志同意對他的論文接受為期一周的評審。此前，一位朋友曾告訴他，CRISPR的一篇開創(chuàng)性論文就受到了這種不同尋常的待遇。《自然》答應(yīng)了這一條件，于是這篇論文迅速通過了審查。

在正式發(fā)表前，賈里洛-赫雷羅向麥克唐納發(fā)送了一份電子郵件，麥克唐納甚至不知道賈里洛-赫雷羅一直在堅持不懈地探索魔角?！斑@簡直難以置信，”麥克唐納說：“我的意思是說，我認(rèn)為這種情況超乎想象。”2018年3月，大約就在《自然》發(fā)表該論文時，迪恩在一次會議上與物理學(xué)界的其他人一起得知了這一點。“結(jié)果證明我大錯特錯?！钡隙髡f道。

石墨烯的神奇圖案

石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，呈平面薄片狀。如果將兩張石墨烯片堆疊在一起，并以一個小角度將其扭轉(zhuǎn)，晶格就會自然產(chǎn)生摩爾紋圖案。當(dāng)兩張石墨烯片之間的夾角恰好為1.1度時（誤差小于0.1度)，堆疊在一起的石墨烯片表現(xiàn)出超導(dǎo)性等特殊性能。

摩爾紋圖案反映了碳原子的單晶結(jié)構(gòu)

完美的游樂場

物理學(xué)家對魔角扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯感到興奮，并不是因為它可能是一種實用的超導(dǎo)體，而是因為他們確信它能揭示超導(dǎo)本身的神秘特性。這種材料的特性似乎像一種銅酸鹽（一種奇特的陶瓷），可在-133.15攝氏度的溫度下或者在絕對零度與室溫之間一半的溫度下產(chǎn)生超導(dǎo)性。此外，西班牙巴塞羅那光子科學(xué)研究所（ICFO）的物理學(xué)家迪米特里·葉費托夫（Dmitri Efetov）指出，扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯從導(dǎo)電層到絕緣層再到超導(dǎo)層的突然躍遷，僅僅是外部電場的微調(diào)，這表明自由電子正在放緩到實際的停滯狀態(tài)。“當(dāng)它們停止時，電子之間的相互作用會更加強(qiáng)烈，然后它們配對組成超流體?！边@種類似流體的電子態(tài)被認(rèn)為是所有超導(dǎo)體的核心特征。

對銅酸鹽的研究已經(jīng)有30年的歷史，但對這一現(xiàn)象的解釋相對較少，這主要是因為銅酸鹽是一種復(fù)雜的多元素晶體。葉費托夫介紹，人們對這種材料知之甚少。他還指出，只有在要求嚴(yán)格的制造過程中精確摻雜雜質(zhì)以增加自由電子時，它們才會產(chǎn)生超導(dǎo)性。此外，扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯只不過是一種碳，要在其中摻雜更多的電子，只需施加一個容易變化的電場。賈里洛-赫雷羅說：“我們不需要生產(chǎn)不同的晶體，而只需轉(zhuǎn)動電壓旋鈕，或施加更大的壓力，或改變旋轉(zhuǎn)角度。”他指出，一個學(xué)生可以在一小時內(nèi)嘗試改變摻雜物的使用情況，而且?guī)缀醪恍枰魏纬杀?，而在酮酸鹽上嘗試一種稍有不同的摻雜方案可能需要數(shù)月的時間并花費數(shù)萬美元。

麥克唐納說，同樣獨特的是，在魔角扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯中似乎有少量電子正在發(fā)揮重要作用——每10萬個碳原子中大約就有一個?！霸谌绱说偷碾娮用芏认掠^察到超導(dǎo)現(xiàn)象，這種情況前所未有，它比我們看到的其他任何東西都至少低一個數(shù)量級?！笨茖W(xué)預(yù)印本服務(wù)平臺arxiv.org上發(fā)布了100多篇論文，它們提供的一些理論可以解釋在魔角扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯中可能發(fā)生的事情。普林斯頓大學(xué)理論物理學(xué)家安德烈·伯內(nèi)維格（Andrei Bernevig）稱其為探索相關(guān)物理學(xué)的“完美游樂場”。

賈里洛-赫雷羅實驗室：扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯裝置由堆疊的石墨烯片（圖片中心的黑暗物質(zhì)）構(gòu)成，這些石墨烯片與各種電極連接。通過改變電極中的電壓，研究人員可以控制雙層石墨烯的電學(xué)性質(zhì)

物理學(xué)家似乎急于對其加以利用。位于巴黎近郊的納米科學(xué)和納米技術(shù)中心物理學(xué)家雷貝卡·里貝羅-帕勞（Rebeca Ribeiro-Palau）指出，除了能夠通過按下按鈕在極端的電導(dǎo)率之間切換之外，已經(jīng)有充分的證據(jù)表明，扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯的磁性、熱學(xué)和光學(xué)性質(zhì)可以像電子一樣容易被誘導(dǎo)出奇怪的特性。她說:“原則上你可以啟動和關(guān)閉任何物質(zhì)特性?！崩纾琨溈颂萍{所言，扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯中的一些絕緣狀態(tài)似乎伴隨著磁性，而磁性并非像通常那樣來自電子的量子自旋狀態(tài)，而是完全來自它們的軌道角動量—— 一種理論上存在但從未被觀測到的磁性類型。

即將到來的轉(zhuǎn)角電子學(xué)時代

鑒于賈里洛-赫雷羅團(tuán)隊已經(jīng)證明魔角的確存在，因此物理學(xué)家正試圖將轉(zhuǎn)角電子學(xué)方法應(yīng)用于其他石墨烯裝置。金領(lǐng)導(dǎo)的研究小組一直在對兩個兩層石墨烯進(jìn)行扭轉(zhuǎn)實驗，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)性和相關(guān)物理性質(zhì)存在的證據(jù)。還有研究人員正在堆疊三層或更多層石墨烯，希望在其他魔角或者將它們完全重疊時獲得超導(dǎo)性。伯內(nèi)維格認(rèn)為，隨著堆疊的石墨烯層越來越高，物理學(xué)家可能能夠使超導(dǎo)溫度隨之升高。其他魔角同樣可能發(fā)揮作用。一些研究小組正在把這些石墨烯片更緊密地擠壓在一起，以增大魔角，使之更容易實現(xiàn)。而麥克唐納認(rèn)為，盡管更難以實現(xiàn)，但更豐富的物理性質(zhì)可能會出現(xiàn)在更小的魔角上。

與此同時，其他材料正在進(jìn)入轉(zhuǎn)角電子學(xué)領(lǐng)域。半導(dǎo)體和過渡金屬可以以扭轉(zhuǎn)層沉積，這被認(rèn)為是相關(guān)物理性質(zhì)的良好備選材料——可能比扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯更理想。葉費托夫表示：“人們正在考慮用這種方法來處理數(shù)百種材料。潘多拉魔盒已經(jīng)打開了?！?/p>

迪恩和葉費托夫?qū)儆趫猿纸?jīng)典轉(zhuǎn)角電子學(xué)的人，他們希望通過逐漸消除制作過程中產(chǎn)生的褶皺來增強(qiáng)魔角扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯裝置的效果。由于在兩層石墨烯之間沒有化學(xué)粘接，而且由于輕微偏移的石墨烯層自身仍在試圖調(diào)整對齊，這導(dǎo)致它們保持魔角扭轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生應(yīng)力，出現(xiàn)亞微觀山丘、山谷和彎曲。這些局部變形意味著裝置的有些區(qū)域可能在扭轉(zhuǎn)角的神奇范圍之內(nèi)，而有些區(qū)域則在該范圍之外?！拔以噲D將石墨烯層的邊緣粘接在一起，但仍然存在局部變化。” 葉費托夫抱怨道，“現(xiàn)在，我想找出一種方法，使石墨烯層堆疊在一起時的初始應(yīng)變最小化?！彼罱鼒蟾媪嗽谶@方面取得的進(jìn)展，實驗結(jié)果已初見成效，新的超導(dǎo)態(tài)的溫度大約為-270.15攝氏度。

在扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯領(lǐng)域，賈里洛-赫雷羅以驚人的方式遙遙領(lǐng)先，他沒有坐等別人趕上來。通過長期的反復(fù)試驗，他將超導(dǎo)樣品的產(chǎn)量提高了近50%?；谶@一點，他的實驗室的重點工作仍然是希望從扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯中誘導(dǎo)出更多奇異的特性。大多數(shù)其他研究小組的收益率只有這個數(shù)字的1/10，甚至更低。制造和測試設(shè)備需要大約兩周的時間，這成為巨大的生產(chǎn)力優(yōu)勢。他說：“我們認(rèn)為，我們只是剛剛開始看到這些魔角石墨烯系統(tǒng)呈現(xiàn)出來的所有迷人狀態(tài)，可供探索的相位空間依然廣闊?！蓖瑫r，他也讓自己的實驗室通過研究其他材料來探索轉(zhuǎn)角電子學(xué)。

在這場競賽中，研發(fā)出更容易生產(chǎn)、性能更佳、溫度更高的超導(dǎo)體需付出巨大的代價。除了人們經(jīng)常想到的懸浮列車外，減少電力傳輸過程中的能源損失還將提振全球經(jīng)濟(jì)，并大幅減少有害物質(zhì)排放。量子位的制造可能會突然變得實用，或許還會引領(lǐng)量子計算機(jī)的風(fēng)潮。即使不具有超導(dǎo)性，普通計算機(jī)和其他電子設(shè)備也能從轉(zhuǎn)角電子學(xué)中大幅提升性價比。因為從理論上說，整個復(fù)雜的電子電路可以內(nèi)置于幾張純碳片中，而不需要采用常見的芯片并用高難度材料制成十幾層或更多的復(fù)雜蝕刻層?！澳憧梢园巡煌奈镔|(zhì)特性整合到彼此相鄰的電路中，然后用局部電場改變它們。”迪恩說，“我無法用文字來描述它的意義有多深遠(yuǎn)。我必須做點什么，也許是動態(tài)材料工程？”

無論這種希望最終能否實現(xiàn)，目前扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯似乎只會讓人興奮?！坝行┤丝赡苄哂诘榔?，但我不會。”內(nèi)托說，“如果這個領(lǐng)域繼續(xù)像現(xiàn)在這樣發(fā)展下去，有人會因此獲得諾貝爾獎?！边@樣的言論可能還為時尚早，但即使沒有這番言論，賈里洛-赫雷羅也仍然承受著巨大的壓力?！拔业膶嶒炇夜ぷ髯屓藗儺a(chǎn)生了不切實際的期望，每一個人似乎都認(rèn)為我們每年都會取得新的突破?！彼?dāng)然決心做出更多重大的貢獻(xiàn)，但他預(yù)測，無論下一個令人振奮的發(fā)現(xiàn)是什么，它都可能來自不同的實驗室?！拔乙呀?jīng)接受了這個事實，我對此很滿意，如果在一個領(lǐng)域只有你能夠取得進(jìn)展，那將會無聊透頂。”