自2010年获(huo)得诺贝尔物理学(xue)(xue)奖以来，石墨烯近年来成为(wei)二维材料的“流量(liang)明星”。今年前三个月，国际顶(ding)级学(xue)(xue)术期(qi)刊《自然》《科学(xue)(xue)》杂(za)志已(yi)发表(biao)三篇(pian)关于石墨烯的报道。这些研(yan)究或为(wei)设计石墨烯基超导体(ti)奠定基础，或为(wei)探(tan)索石墨烯系(xi)统(tong)中的流体(ti)动力学(xue)(xue)开(kai)辟新路。

一直以来，石(shi)墨烯以应用前景(jing)广泛(fan)的(de)电(dian)子(zi)特性(xing)而闻名(ming)。随着研究的(de)不(bu)断深入，它的(de)更多神奇性(xing)能有待人们(men)去(qu)发现(xian)和(he)探(tan)索。

▲研(yan)究显示石墨烯片具有六边形分子和能(neng)量(liang)。

五年前，在(zai)美(mei)国(guo)洛杉矶会(hui)议中心举行的美(mei)国(guo)物理学(xue)会(hui)年会(hui)上，美(mei)国(guo)麻省理工学(xue)院的物理学(xue)家巴勃罗(luo)·贾里(li)略·赫雷罗(luo)发布了一项重大成果。

此前，赫雷(lei)罗和他(ta)的(de)(de)同事一直在(zai)(zai)进(jin)行石墨烯的(de)(de)实验研究，石墨烯是从石墨（铅笔芯的(de)(de)主要成(cheng)分）上剥离下来只有(you)单个原子(zi)厚度(du)的(de)(de)碳薄(bo)片(pian)(pian)材料。然(ran)而，当赫雷(lei)罗将两(liang)个石墨烯薄(bo)片(pian)(pian)堆(dui)叠在(zai)(zai)一起，以一薄(bo)片(pian)(pian)相对于(yu)另一薄(bo)片(pian)(pian)旋转，形成(cheng)某(mou)个神奇“魔角”时，一种神奇的(de)(de)效应产生了。

就是这个(ge)在石墨烯(xi)错位层中的意外发(fa)现，为科(ke)学家研(yan)究二维(wei)材料(liao)奇异物理(li)学开辟了一个(ge)新的领域。

“扭一扭”创造神奇材料特性

在那(nei)次(ci)美国物理学会(hui)年会(hui)上，赫雷罗展(zhan)示了石墨烯的一种(zhong)神奇新特性。他(ta)们将两层石墨烯堆以(yi)某个角度差异叠在一起(qi)，并通(tong)过门(men)电(dian)压调控载流子(zi)浓度，成功实(shi)现了能带半(ban)满(man)填充状态下的绝(jue)缘体，继而实(shi)现1.7K（开尔文）温度下的超导电(dian)性。

神奇(qi)“魔(mo)角”或让(rang)石墨烯(xi)成为电流(liu)几乎不(bu)流(liu)动的(de)绝缘体(ti)(ti)，或成为超(chao)导(dao)体(ti)(ti)。这是(shi)一个具有重要意义的(de)惊人发现，因(yin)为从量(liang)子计算到核聚(ju)变等多个前沿技术领域中，超(chao)导(dao)体(ti)(ti)都有广泛的(de)应用(yong)前景。

在这次年会之后，研究人员通过(guo)石墨烯叠(die)层(ceng)扭转产生“魔角”效(xiao)应(ying)(ying)(ying)实(shi)验，发现了许多奇异的(de)(de)量子效(xiao)应(ying)(ying)(ying)，例(li)如显示磁(ci)涡(wo)旋特性的(de)(de)“准(zhun)粒(li)子”。美(mei)国(guo)哈佛大学的(de)(de)阿米尔(er)·亚科比认(ren)为，这些奇异特性令人兴奋(fen)，蕴含着巨大的(de)(de)应(ying)(ying)(ying)用潜力。

更令人振奋的(de)(de)是，石(shi)墨(mo)烯的(de)(de)神奇才刚刚崭露(lu)头角(jiao)。新(xin)的(de)(de)研究发现，通过增(zeng)加石(shi)墨(mo)烯薄片的(de)(de)层(ceng)数，或以其他材(cai)料互(hu)换，也会产生类似效应。在探(tan)索石(shi)墨(mo)烯神奇特(te)性的(de)(de)发现之旅(lv)中(zhong)，科(ke)学(xue)家将深入(ru)研究隐(yin)藏在二(er)维材(cai)料中(zhong)不可(ke)思议的(de)(de)全(quan)新(xin)物理学(xue)。

石墨烯薄片叠层扭转后(hou)表(biao)现(xian)的(de)(de)(de)种种神奇特(te)性，为研究材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)基本特(te)性，尤其是(shi)探索不同(tong)原子排列方式对材(cai)料(liao)(liao)特(te)性所产(chan)生的(de)(de)(de)作(zuo)用，开辟了新的(de)(de)(de)途径。

材(cai)料是否导(dao)(dao)电(dian)，取(qu)决于原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)中的(de)(de)(de)电(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)在(zai)原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)核周围的(de)(de)(de)排列模式。大致原理为，相邻原子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)电(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)向外移动(dong)，形成(cheng)一(yi)个(ge)互相重叠(die)的(de)(de)(de)“电(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)带(dai)”。在(zai)导(dao)(dao)电(dian)材(cai)料中，高(gao)能(neng)(neng)电(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)“电(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)带(dai)”拥有(you)更多可容纳其他电(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)的(de)(de)(de)空间，其本身也(ye)有(you)更多可移动(dong)空间，一(yi)旦施加电(dian)压，就(jiu)可形成(cheng)电(dian)流在(zai)电(dian)极之间流动(dong)。而在(zai)绝缘(yuan)体(ti)材(cai)料中，高(gao)能(neng)(neng)电(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)带(dai)和低(di)能(neng)(neng)电(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)带(dai)一(yi)样，都挤(ji)满了电(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，在(zai)这(zhei)样的(de)(de)(de)材(cai)料中，电(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)就(jiu)像(xiang)挤(ji)在(zai)拥挤(ji)房(fang)间里的(de)(de)(de)人群一(yi)样，几乎没(mei)有(you)自由(you)移动(dong)的(de)(de)(de)余地。

石墨烯中(zhong)的碳(tan)原子由(you)(you)蜂巢状六边形晶(jing)格互相连(lian)接，所以(yi)这种材料中(zhong)的电子可以(yi)在晶(jing)格带(dai)中(zhong)自由(you)(you)穿梭，这正是高速运行电子器件所需要的优良(liang)特性。

事实上，如(ru)果是蜂巢(chao)晶(jing)(jing)格结构没有(you)任(ren)何(he)瑕疵的(de)(de)天(tian)然(ran)石墨(mo)(mo)烯，从理(li)论上来说，其电子(zi)可(ke)以光速移(yi)动(dong)，就像根本没有(you)任(ren)何(he)质量一样(yang)。但如(ru)果两(liang)层(ceng)石墨(mo)(mo)烯薄片相叠，其中一层(ceng)相对于另一层(ceng)以某种角(jiao)度扭曲，就可(ke)以改变电子(zi)的(de)(de)移(yi)动(dong)方向(xiang)。电子(zi)在两(liang)个六(liu)边形晶(jing)(jing)格中来回穿梭，形成“超晶(jing)(jing)格”，产生神奇的(de)(de)“莫(mo)尔效应”。

在石(shi)墨(mo)烯(xi)中，电(dian)子(zi)(zi)行为不(bu)光受碳原子(zi)(zi)晶格的(de)影响(xiang)，莫(mo)尔超晶格同时(shi)也会对(dui)电(dian)子(zi)(zi)在两层石(shi)墨(mo)烯(xi)之间的(de)自(zi)由(you)移动度(du)产生影响(xiang)。因此(ci)通(tong)过改变(bian)两层石(shi)墨(mo)烯(xi)薄片相叠的(de)角度(du)，可以大幅降低双(shuang)层石(shi)墨(mo)烯(xi)薄片之间传导电(dian)子(zi)(zi)的(de)速度(du)，从而改变(bian)电(dian)子(zi)(zi)行为。

“如(ru)果拥有(you)大量动(dong)(dong)能，如(ru)果电子(zi)移动(dong)(dong)速(su)(su)度(du)(du)极快，它们几乎(hu)没有(you)时间产(chan)生相(xiang)(xiang)(xiang)互作用。”赫雷罗(luo)说。但是(shi)，如(ru)果扭(niu)曲相(xiang)(xiang)(xiang)叠的(de)(de)两层(ceng)石(shi)(shi)墨烯薄片中的(de)(de)电子(zi)移动(dong)(dong)速(su)(su)度(du)(du)放(fang)缓，情(qing)况就不(bu)一样了。双(shuang)层(ceng)石(shi)(shi)墨烯薄片电子(zi)之(zhi)间强(qiang)大的(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)互作用意味着电子(zi)的(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)互运动(dong)(dong)变得更(geng)敏(min)感(gan)，更(geng)加相(xiang)(xiang)(xiang)互依赖。用技术(shu)术(shu)语来(lai)讲，它们之(zhi)间的(de)(de)关系变得“高(gao)度(du)(du)相(xiang)(xiang)(xiang)关”。而这也正是(shi)事情(qing)变得非常有(you)趣的(de)(de)地方：电子(zi)活动(dong)(dong)方式(shi)的(de)(de)这种相(xiang)(xiang)(xiang)关性的(de)(de)提高(gao)，可(ke)(ke)以(yi)产(chan)生原来(lai)根本不(bu)可(ke)(ke)能出(chu)现(xian)的(de)(de)奇迹。

以超(chao)导(dao)体为例(li)，传(chuan)统超(chao)导(dao)体中的(de)(de)(de)电(dian)子(zi)互(hu)动导(dao)致它们(men)组合成“库珀(po)对(dui)”。量(liang)子(zi)力学定律限制(zhi)了拥有相同属性（能量(liang)、位(wei)置等）电(dian)子(zi)的(de)(de)(de)数量(liang)，但这并不适用于这种(zhong)特殊的(de)(de)(de)库珀(po)对(dui)，它们(men)可以聚(ju)集一(yi)起，在没有阻(zu)力的(de)(de)(de)情况(kuang)下，不受晶格原子(zi)的(de)(de)(de)阻(zu)碍而四(si)处(chu)移动。事实(shi)上，库珀(po)对(dui)是(shi)高能准粒子(zi)的(de)(de)(de)一(yi)个范例(li)：许(xu)多电(dian)子(zi)呈聚(ju)集态四(si)处(chu)移动，其表现像是(shi)一(yi)种(zhong)新型粒子(zi)。

所以，如果想要寻找奇特(te)的电(dian)(dian)(dian)子特(te)性，让电(dian)(dian)(dian)子相关，二维(wei)材(cai)料是最好的选择。在(zai)三维(wei)空间(jian)里(li)，电(dian)(dian)(dian)子通常有许(xu)多方式彼(bi)此远离，避免(mian)接触，但(dan)在(zai)二维(wei)空间(jian)里(li)，特(te)别是在(zai)石墨(mo)烯(xi)这样的薄(bo)层导体材(cai)料中(zhong)，电(dian)(dian)(dian)子活动更(geng)趋(qu)向于聚合，从而显示出(chu)不同寻常的神奇特(te)性。

存在于二维空间的“调谐按钮”

美(mei)国新(xin)泽西州罗格(ge)斯大学的伊娃(wa)·安德烈(lie)伊和她的同事发(fa)现，当一(yi)(yi)层(ceng)石(shi)墨(mo)烯薄(bo)片叠(die)在另一(yi)(yi)石(shi)墨(mo)烯薄(bo)片上时，样本中的电子能量水平会出(chu)现一(yi)(yi)种(zhong)被称为“魔角(jiao)效应”的奇(qi)特(te)变化，特(te)别(bie)是当一(yi)(yi)层(ceng)相(xiang)对于另一(yi)(yi)层(ceng)旋转约(yue)1°时，这种(zhong)效应尤(you)为明显。

其他(ta)一些研究团队也报告(gao)称发现(xian)了(le)类(lei)似(si)现(xian)象，理论物理学家(jia)对此很(hen)感兴趣，他(ta)们想知道，为(wei)什(shen)么会这样(yang)，究竟发生(sheng)了(le)什(shen)么。

美国德克(ke)萨斯大(da)学奥斯汀分校的(de)艾伦(lun)·麦克(ke)唐纳和同事对(dui)双(shuang)层(ceng)石墨烯的(de)电子(zi)属性研究后发现，当两层(ceng)薄片处于(yu)某个(ge)旋转角度时，电子(zi)的(de)移(yi)动(dong)速度降(jiang)为零。“电子(zi)活(huo)动(dong)完全停止了。”麦克(ke)唐纳说，“这对(dui)我们来说是(shi)个(ge)完全意想(xiang)不到(dao)的(de)惊喜。”

最(zui)大“神奇扭角”约为1.16°，但要深入研究石(shi)墨烯的(de)种种神奇，这仍然(ran)太小，需要对旋(xuan)转角度的(de)方向进行极其精细的(de)控制。赫(he)雷罗认为，这种神奇扭转角具有(you)极大潜力，有(you)可能成(cheng)为电(dian)子属(shu)性中(zhong)前所(suo)(suo)未有(you)的(de)新(xin)“调谐(xie)旋(xuan)钮”，所(suo)(suo)以他决定(ding)试一下。

一(yi)开(kai)始，他(ta)的(de)(de)团(tuan)队(dui)在(zai)扭曲双层石(shi)墨(mo)烯中发(fa)现(xian)，电(dian)子(zi)带的(de)(de)动能(neng)很小(xiao)，正如(ru)麦克唐纳等人(ren)(ren)对(dui)电(dian)子(zi)低(di)速(su)移动的(de)(de)预测(ce)一(yi)样。于(yu)是，研究人(ren)(ren)员开(kai)始寻找一(yi)种(zhong)被称为莫特绝缘体的(de)(de)非导(dao)电(dian)态，他(ta)们认(ren)为这(zhei)种(zhong)状态可能(neng)存在(zai)于(yu)强相(xiang)关电(dian)子(zi)中。后来，赫雷(lei)罗团(tuan)队(dui)对(dui)这(zhei)种(zhong)电(dian)子(zi)行(xing)为进行(xing)观察后，发(fa)现(xian)了更有(you)趣的(de)(de)现(xian)象。他(ta)们发(fa)现(xian)，对(dui)石(shi)墨(mo)烯施加(jia)电(dian)压进行(xing)微调，改(gai)变携带电(dian)流的(de)(de)电(dian)子(zi)数量，就可以(yi)产生超(chao)导(dao)体。与所有(you)的(de)(de)超(chao)导(dao)体材(cai)料一(yi)样，这(zhei)种(zhong)情况只在(zai)低(di)于(yu)1.7K的(de)(de)极(ji)低(di)温度下才会出现(xian)。

“魔角”石墨烯的(de)(de)这种奇特电子效应引起了许(xu)多研(yan)究(jiu)人员(yuan)的(de)(de)兴趣(qu)，纷(fen)纷(fen)加入(ru)这一(yi)(yi)研(yan)究(jiu)领域(yu)。激发他们兴趣(qu)的(de)(de)，不仅仅是(shi)发现新的(de)(de)基(ji)础物理学的(de)(de)前景，还因为超(chao)导体(ti)材料的(de)(de)广泛需(xu)求。比(bi)如，用于(yu)量(liang)子计算(suan)机中(zhong)的(de)(de)量(liang)子比(bi)特，可通过量(liang)子物理学一(yi)(yi)些特殊定(ding)理加速某些特定(ding)运(yun)算(suan)。在一(yi)(yi)些需(xu)要(yao)用到强磁场的(de)(de)应用技术中(zhong)，如核(he)磁共振成像和核(he)聚变(bian)反应堆等，也(ye)是(shi)超(chao)导体(ti)大显身手(shou)的(de)(de)领域(yu)。

产(chan)(chan)生磁(ci)场的(de)方法之一是(shi)让电流绕线(xian)圈流动。对超导线(xian)圈加大电流强度可产(chan)(chan)生更强大的(de)磁(ci)场。但是(shi)超导导线(xian)需要(yao)保持(chi)极(ji)低温度，处理难度很大。

这(zhei)(zhei)就解释了为何研究人员对“魔角”石墨烯的超(chao)导性能如此感兴(xing)趣，它可能为人们最(zui)终(zhong)理解某些(xie)奇(qi)特(te)超(chao)导现象(xiang)提供新(xin)的途径。例如，某些(xie)被称(cheng)为“层状铜(tong)(tong)氧化物(wu)”的铜(tong)(tong)基化合物(wu)可在(zai)相对较(jiao)高（135k，相当(dang)于-138℃）的温(wen)度条(tiao)件下产生超(chao)导性。40年(nian)前，这(zhei)(zhei)类超(chao)导体首次(ci)被报道(dao)后，其奇(qi)特(te)的超(chao)导行为一直(zhi)困扰着研究人员。

▲95后(hou)中国学者曹原在“魔(mo)角”石(shi)墨烯(xi)领域不断获得原创性突破，被(bei)誉(yu)为“石(shi)墨烯(xi)驾驭者”。 图(tu)/nature.com

“对‘魔角’石墨(mo)烯(xi)的(de)理(li)解(jie)是否能帮(bang)(bang)助我(wo)们(men)理(li)解(jie)层状铜(tong)氧化物超导特(te)性产生的(de)原因，我(wo)们(men)至今还不甚(shen)清楚。”赫(he)雷罗说。他指出，层状铜(tong)氧化物和“魔角”石墨(mo)烯(xi)的(de)相同之处是，它(ta)们(men)都是叠层材料(liao)，且拥有(you)(you)一(yi)些相同的(de)属性，但它(ta)们(men)也(ye)有(you)(you)很多不同。赫(he)雷罗直觉认为，这一(yi)研究对我(wo)们(men)会有(you)(you)所帮(bang)(bang)助，但现在就下结论(lun)还为时(shi)过早。

摩尔效应与哈伯德模型

“魔角”石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)是如何(he)产(chan)生的(de)(de)(de)？通常(chang)，赫雷(lei)罗的(de)(de)(de)研究小(xiao)组(zu)(zu)先取来(lai)一个六方氮(dan)化硼（hBN）薄片。之所以用它，是因(yin)为(wei)它具有(you)与石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)相同(tong)的(de)(de)(de)蜂(feng)窝(wo)结构，厚度为(wei)1000万分(fen)之一到3000万分(fen)之一毫米(mi)。研究人员以其(qi)用作胶(jiao)带，从石(shi)(shi)墨(mo)中剥离一层石(shi)(shi)墨(mo)烯(xi)，然后(hou)再剥离第二层，手动调整hBN薄片的(de)(de)(de)方向，相对于第一层略微(wei)旋转，最后(hou)再将(jiang)测量导电率(lv)所需的(de)(de)(de)各种组(zu)(zu)件组(zu)(zu)装上去(qu)。然而，创建这样的(de)(de)(de)结构难度非常(chang)大。

“摩尔系(xi)统的物(wu)理性质会(hui)(hui)随着扭角(jiao)角(jiao)度的微小变(bian)化而变(bian)化。”赫雷罗说，这些系(xi)统可能并不稳定，“有很多张力和扭曲，原(yuan)子会(hui)(hui)四处移动，争相占据(ju)最合适(shi)的位置。”

不过也(ye)许有替代办法，可以不依赖“魔角(jiao)”来解决(jue)这些问题。研(yan)究人员发现(xian)，利用原子(zi)间隙略(lve)有不同的两种不同材质薄片，也(ye)可以产生某种摩尔超晶格。

过渡金(jin)属二卤族化(hua)物（TMDs），如二硫化(hua)钨(wu)(wu)和二硒化(hua)钨(wu)(wu)，也能形(xing)成六边形(xing)键(jian)合(he)层。由不(bu)同(tong)材料(liao)制成的(de)(de)(de)两(liang)层或(huo)更多层键(jian)合(he)层，可(ke)产生(sheng)多种不(bu)同(tong)的(de)(de)(de)原(yuan)子(zi)排列模式。例如，利用二硫化(hua)钨(wu)(wu)和二硒化(hua)钨(wu)(wu)原(yuan)子(zi)间(jian)(jian)距(ju)4%的(de)(de)(de)不(bu)匹配，可(ke)产生(sheng)摩尔(er)效(xiao)应图(tu)案(an)，图(tu)案(an)以每8纳米(mi)的(de)(de)(de)间(jian)(jian)隔重复出现(xian)。

TMD双层(ceng)材料不依赖于(yu)“魔角(jiao)”，对扭转角(jiao)度的(de)(de)微小变化不敏感，实验的(de)(de)可(ke)(ke)重(zhong)复性(xing)要(yao)高得多。美国康奈尔(er)大(da)学的(de)(de)研究人(ren)员与麦克唐纳等人(ren)合作，证(zheng)明了(le)一个由二(er)硫化钨(wu)和二(er)硒化钨(wu)构(gou)成的(de)(de)摩尔(er)系统(tong)，用(yong)来探索各(ge)种相关电子行为(wei)，可(ke)(ke)作为(wei)最流(liu)行的(de)(de)“哈伯德模型”的(de)(de)物理模拟。

哈伯德(de)模(mo)(mo)型(xing)于1963年由物理学家约翰(han)·哈伯德(de)提出，并以他的(de)名字命名。哈伯德(de)模(mo)(mo)型(xing)将电子能量(liang)分为两(liang)种：动能和相互(hu)作用(yong)产生的(de)能量(liang)。哈伯德(de)模(mo)(mo)型(xing)是(shi)研究(jiu)莫特(te)绝缘体(ti)、超(chao)导(dao)体(ti)（特(te)别(bie)是(shi)铜氧化物）和有(you)序磁性的(de)常(chang)用(yong)模(mo)(mo)型(xing)。尽管它的(de)简单性令人沉醉，但在数学处理上却很困(kun)难，模(mo)(mo)型(xing)方程的(de)精确解(jie)法仍然只存(cun)在于一(yi)维系统(tong)中(zhong)。

但(dan)麦克唐纳认为，这(zhei)些能够实(shi)现摩尔效应的(de)(de)材料(liao)是哈伯德模型(xing)的(de)(de)完美映射(she)。实(shi)验证明，改(gai)(gai)变施加在TMD双(shuang)层材料(liao)样本上的(de)(de)电压，模型(xing)可以预测(ce)材料(liao)样本一系(xi)列行为变化，如铁磁(ci)性和反铁磁(ci)性之间的(de)(de)转换(huan)。随着磁(ci)性转换(huan)，原子旋转方向也(ye)(ye)会随之改(gai)(gai)变，不需要通过复杂(za)的(de)(de)数(shu)学计算(suan)，通过实(shi)验也(ye)(ye)可得出模型(xing)预测(ce)结果。

麦克唐纳说，摩尔系统还将给我们(men)带(dai)来多少惊(jing)喜，我们(men)并没(mei)有完全(quan)的(de)信心。但通过“魔角”石墨烯超(chao)导(dao)性(xing)理解(jie)的(de)研(yan)究进(jin)展及(ji)预期，他表达了谨慎乐观的(de)态度：“这些进(jin)展对于我们(men)理解(jie)高温超(chao)导(dao)性(xing)具有重要意(yi)义。”

一(yi)些惊(jing)喜是我们可(ke)以期待(dai)的(de)(de)，赫雷罗(luo)最初在这(zhei)些系(xi)统(tong)中(zhong)发现超导(dao)性就(jiu)是一(yi)个完全出乎意料的(de)(de)惊(jing)喜。尽管在之(zhi)后几年(nian)里取(qu)得了持续进展(zhan)，但赫雷罗(luo)认(ren)为，对于数(shu)百个有可(ke)能(neng)构建成功的(de)(de)摩尔系(xi)统(tong)中(zhong)，科学(xue)家的(de)(de)认(ren)识(shi)还只(zhi)限于表面，“这(zhei)些都(dou)是非(fei)常复(fu)杂的(de)(de)系(xi)统(tong)，它(ta)们具有各自不(bu)同的(de)(de)组成部分、几何形状及复(fu)杂程(cheng)度”。

科学家们在这一(yi)未知领域内(nei)已经迈出了令人(ren)振奋的第一(yi)步，未来有许多(duo)可能性正等待(dai)着人(ren)们去探索和发现。

>>>延伸阅读

石墨烯：未来蕴含无限可能

“魔角”石墨烯拥有许多令人(ren)着迷(mi)的(de)特性(xing)，这让科研人(ren)员对它的(de)研究(jiu)欲(yu)罢不能(neng)(neng)。未来，还将有无限可(ke)能(neng)(neng)的(de)新发现，蕴藏(zang)在这种神奇材料中。

铁磁性

“魔角”石(shi)墨烯(xi)能够显现(xian)出像铁(tie)那样(yang)的铁(tie)磁(ci)(ci)特(te)性(xing)。铁(tie)磁(ci)(ci)性(xing)通过电子(zi)快速旋转产生，属于一(yi)(yi)种量子(zi)特(te)性(xing)。在具有铁(tie)磁(ci)(ci)特(te)性(xing)的一(yi)(yi)些材(cai)料(liao)中，所有电子(zi)的旋转方向都是一(yi)(yi)致的。

2019年，美(mei)国加州标准材(cai)料与(yu)能源(yuan)科学(xue)研究(jiu)所的(de)戴维·戈登(deng)和他的(de)同事，通过操(cao)纵“魔角”石墨(mo)烯的(de)电子带，首次观察(cha)到了石墨(mo)烯的(de)铁磁性能。可(ke)控铁磁性可(ke)通过开(kai)关控制，在一种(zhong)叫做“自(zi)旋电子学(xue)”的(de)电子技术中很有(you)用(yong)，研究(jiu)人员可(ke)利用(yong)电子自(zi)旋来(lai)给(ji)信息编(bian)码，而不是(shi)电流脉冲。

新的准粒子

对“魔角(jiao)”石墨(mo)烯的(de)(de)研究(jiu)还是(shi)发现新的(de)(de)奇特准粒(li)(li)子(zi)(zi)的(de)(de)沃土，包括那些携带分数电(dian)(dian)(dian)荷(he)的(de)(de)准粒(li)(li)子(zi)(zi)。电(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)电(dian)(dian)(dian)荷(he)是(shi)一种基本单位，没有比它电(dian)(dian)(dian)荷(he)更小(xiao)的(de)(de)自由粒(li)(li)子(zi)(zi)了。但(dan)在一种被称为“分数量子(zi)(zi)霍(huo)尔(er)效应”的(de)(de)奇特现象中(zhong)，电(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)表现得(de)好像(xiang)带有分数电(dian)(dian)(dian)荷(he)。分数电(dian)(dian)(dian)荷(he)准粒(li)(li)子(zi)(zi)的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)通常呈分离(li)态，在“魔角(jiao)”石墨(mo)烯中(zhong)，电(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)按准粒(li)(li)子(zi)(zi)晶格(ge)排列，被称为“分数陈绝缘子(zi)(zi)”。

科学(xue)(xue)家研究(jiu)分数准粒子(zi)(zi)(zi)，不仅(jin)是(shi)出于科学(xue)(xue)探(tan)索的(de)好奇心(xin)，也出于实际应用的(de)需要。分数准粒子(zi)(zi)(zi)与“任意子(zi)(zi)(zi)”有着(zhe)惊人的(de)相似之(zhi)处，而“任意子(zi)(zi)(zi)”是(shi)一(yi)种(zhong)假想准粒子(zi)(zi)(zi)，是(shi)量子(zi)(zi)(zi)计算迫(po)切需要的(de)。

在粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)物理学标准(zhun)(zhun)模型中，基本粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)可归为两(liang)大类：一(yi)类是(shi)(shi)(shi)费(fei)米子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，比(bi)(bi)如(ru)电子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)；另一(yi)类是(shi)(shi)(shi)玻(bo)色子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，比(bi)(bi)如(ru)光子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。准(zhun)(zhun)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)通常也遵循这样(yang)的(de)二分法(fa)。比(bi)(bi)如(ru)，库珀对是(shi)(shi)(shi)玻(bo)色子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，但任(ren)意子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)如(ru)果存在的(de)话，就是(shi)(shi)(shi)介于玻(bo)色子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和费(fei)米子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)之(zhi)间的(de)某种(zhong)东西(xi)。有人提出，将特定类型的(de)任(ren)意子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)当作量子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)比(bi)(bi)特，可避免导致(zhi)计(ji)算(suan)失误的(de)量子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)比(bi)(bi)特状态翻转或随机化，这类错(cuo)误正是(shi)(shi)(shi)阻碍目前量子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)计(ji)算(suan)机发展的(de)一(yi)个“绊脚(jiao)石”。

奇异量子效应

有(you)关石墨(mo)烯(xi)超薄材料(liao)奇异(yi)量(liang)子(zi)(zi)效(xiao)应的新发(fa)现(xian)不断给人(ren)们带来惊喜。2021年3月(yue)，美(mei)国哈佛(fo)大(da)学的阿希文·维(wei)什瓦纳斯(si)(si)(si)和他的同(tong)事提(ti)出了扭曲石墨(mo)烯(xi)具有(you)超导(dao)性(xing)的理论，该理论基于(yu)一种被称为“斯(si)(si)(si)格明(ming)子(zi)(zi)”的准粒子(zi)(zi)。2021年12月(yue)，美(mei)国普(pu)林斯(si)(si)(si)顿大(da)学的研(yan)究(jiu)人(ren)员(yuan)发(fa)布了与这种斯(si)(si)(si)格明(ming)子(zi)(zi)准粒子(zi)(zi)有(you)关的报告。2022年年初，赫雷(lei)罗(luo)在三层(ceng)石墨(mo)烯(xi)中发(fa)现(xian)了超导(dao)性(xing)，哈佛(fo)大(da)学菲利普(pu)·金姆领(ling)导(dao)的一个(ge)研(yan)究(jiu)团队(dui)也独立得出了相同(tong)结果。之后，赫雷(lei)罗(luo)的研(yan)究(jiu)团队(dui)证实，四层(ceng)甚至(zhi)五层(ceng)石墨(mo)烯(xi)中也存在超导(dao)性(xing)。

▲耐高(gao)温实验中的石墨烯材料(liao)。

哪些地方能用上石墨烯

电子材料领域

作为(wei)电(dian)极材(cai)料，石(shi)墨烯是(shi)绝(jue)佳的负极材(cai)料，被(bei)认为(wei)是(shi)可以替代硅的芯片材(cai)料。另外，石(shi)墨烯在柔性屏幕、可穿戴设备、太(tai)阳能充电(dian)等(deng)领(ling)域的应(ying)用也有待挖掘(jue)。

石(shi)墨烯(xi)在可(ke)穿(chuan)戴(dai)设备领域(yu)具有一定应用(yong)空间(jian)。例如(ru)，爱尔(er)兰科学家正(zheng)在开发基于石(shi)墨烯(xi)的(de)灵活可(ke)穿(chuan)戴(dai)传感器(qi)，并发现该(gai)传感器(qi)能够检测(ce)到(dao)用(yong)户最细微的(de)动作(zuo)，包括跟(gen)踪呼吸(xi)和脉搏。另外，该(gai)传感器(qi)还能实(shi)现自供电。

散热材料领域

金属纳米石(shi)墨烯(xi)导热(re)(re)(re)塑料(liao)如应用在LED灯(deng)具等(deng)产品的散(san)热(re)(re)(re)上，其系(xi)统成本至少(shao)可降(jiang)低30%。石(shi)墨烯(xi)所具有的快速导热(re)(re)(re)与散(san)热(re)(re)(re)特性(xing)，使得石(shi)墨烯(xi)成为极(ji)佳的散(san)热(re)(re)(re)材料(liao)，可用于智(zhi)能(neng)手机、平板电脑、大功(gong)率节能(neng)LED照明、卫星电路等(deng)。

汽车领域

石墨烯润(run)滑(hua)油有(you)(you)自(zi)修复性(xing)(xing)能(neng)，能(neng)形成(cheng)(cheng)润(run)滑(hua)保护膜(mo)，还具有(you)(you)抗(kang)(kang)磨性(xing)(xing)能(neng)和优异的(de)(de)成(cheng)(cheng)膜(mo)性(xing)(xing)能(neng)。它所独有(you)(you)的(de)(de)分水(shui)性(xing)(xing)能(neng)，可有(you)(you)效防止乳化。此外，它还具有(you)(you)很(hen)好的(de)(de)抗(kang)(kang)氧散(san)热性(xing)(xing)，可有(you)(you)效延(yan)长机油使用(yong)周期(qi)。

石墨烯(xi)还可应(ying)用于动力(li)电池负极(ji)复合材料(liao)、锂电池正极(ji)导(dao)电剂(ji)和功能(neng)(neng)涂(tu)层铝箔中(zhong)，可极(ji)大减轻(qing)电池重量(liang)从(cong)而(er)降(jiang)低整车质量(liang)、延长电池使(shi)用寿命(ming)，大大提高电动汽车续(xu)航里程和充电速(su)度。将(jiang)石墨烯(xi)应(ying)用到(dao)热成像设(she)备(bei)的芯片中(zhong)，将(jiang)可能(neng)(neng)使(shi)未(wei)来汽车有夜(ye)视功能(neng)(neng)。

生物医学领域

石墨烯具有突出的力学性能和生物相容性，将其作为增强填料可显著提高生物材料的力学性能。在基因组测序技术领域，最近成功开发出来的DNA感测器，是一种以石墨烯为基础的场效应类晶体管设备，能探测DNA链的旋转和位置结构。该感测器利用石墨烯的电学性质，成功实现检测DNA序列的微观功能。
来自文汇报。