自2010年獲得諾貝爾物理學獎以來，石墨烯近年來成為二維材料的“流量明星”。今年前三個月，國際頂級學術(shù)期刊《自然》《科學》雜志已發(fā)表三篇關(guān)于石墨烯的報道。這些研究或為設計石墨烯基超導體奠定基礎，或為探索石墨烯系統(tǒng)中的流體動力學開辟新路。

一直以來，石墨烯以應用前景廣泛的電子特性而聞名。隨著研究的不斷深入，它的更多神奇性能有待人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)和探索。

▲研究顯示石墨烯片具有六邊形分子和能量。

五年前，在美國洛杉磯會議中心舉行的美國物理學會年會上，美國麻省理工學院的物理學家巴勃羅·賈里略·赫雷羅發(fā)布了一項重大成果。

此前，赫雷羅和他的同事一直在進行石墨烯的實驗研究，石墨烯是從石墨（鉛筆芯的主要成分）上剝離下來只有單個原子厚度的碳薄片材料。然而，當赫雷羅將兩個石墨烯薄片堆疊在一起，以一薄片相對于另一薄片旋轉(zhuǎn)，形成某個神奇“魔角”時，一種神奇的效應產(chǎn)生了。

就是這個在石墨烯錯位層中的意外發(fā)現(xiàn)，為科學家研究二維材料奇異物理學開辟了一個新的領域。

“扭一扭”創(chuàng)造神奇材料特性

在那次美國物理學會年會上，赫雷羅展示了石墨烯的一種神奇新特性。他們將兩層石墨烯堆以某個角度差異疊在一起，并通過門電壓調(diào)控載流子濃度，成功實現(xiàn)了能帶半滿填充狀態(tài)下的絕緣體，繼而實現(xiàn)1.7K（開爾文）溫度下的超導電性。

神奇“魔角”或讓石墨烯成為電流幾乎不流動的絕緣體，或成為超導體。這是一個具有重要意義的驚人發(fā)現(xiàn)，因為從量子計算到核聚變等多個前沿技術(shù)領域中，超導體都有廣泛的應用前景。

在這次年會之后，研究人員通過石墨烯疊層扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生“魔角”效應實驗，發(fā)現(xiàn)了許多奇異的量子效應，例如顯示磁渦旋特性的“準粒子”。美國哈佛大學的阿米爾·亞科比認為，這些奇異特性令人興奮，蘊含著巨大的應用潛力。

更令人振奮的是，石墨烯的神奇才剛剛嶄露頭角。新的研究發(fā)現(xiàn)，通過增加石墨烯薄片的層數(shù)，或以其他材料互換，也會產(chǎn)生類似效應。在探索石墨烯神奇特性的發(fā)現(xiàn)之旅中，科學家將深入研究隱藏在二維材料中不可思議的全新物理學。

石墨烯薄片疊層扭轉(zhuǎn)后表現(xiàn)的種種神奇特性，為研究材料的基本特性，尤其是探索不同原子排列方式對材料特性所產(chǎn)生的作用，開辟了新的途徑。

材料是否導電，取決于原子中的電子在原子核周圍的排列模式。大致原理為，相鄰原子的電子向外移動，形成一個互相重疊的“電子帶”。在導電材料中，高能電子“電子帶”擁有更多可容納其他電子的空間，其本身也有更多可移動空間，一旦施加電壓，就可形成電流在電極之間流動。而在絕緣體材料中，高能電子帶和低能電子帶一樣，都擠滿了電子，在這樣的材料中，電子就像擠在擁擠房間里的人群一樣，幾乎沒有自由移動的余地。

石墨烯中的碳原子由蜂巢狀六邊形晶格互相連接，所以這種材料中的電子可以在晶格帶中自由穿梭，這正是高速運行電子器件所需要的優(yōu)良特性。

事實上，如果是蜂巢晶格結(jié)構(gòu)沒有任何瑕疵的天然石墨烯，從理論上來說，其電子可以光速移動，就像根本沒有任何質(zhì)量一樣。但如果兩層石墨烯薄片相疊，其中一層相對于另一層以某種角度扭曲，就可以改變電子的移動方向。電子在兩個六邊形晶格中來回穿梭，形成“超晶格”，產(chǎn)生神奇的“莫爾效應”。

在石墨烯中，電子行為不光受碳原子晶格的影響，莫爾超晶格同時也會對電子在兩層石墨烯之間的自由移動度產(chǎn)生影響。因此通過改變兩層石墨烯薄片相疊的角度，可以大幅降低雙層石墨烯薄片之間傳導電子的速度，從而改變電子行為。

“如果擁有大量動能，如果電子移動速度極快，它們幾乎沒有時間產(chǎn)生相互作用。”赫雷羅說。但是，如果扭曲相疊的兩層石墨烯薄片中的電子移動速度放緩，情況就不一樣了。雙層石墨烯薄片電子之間強大的相互作用意味著電子的相互運動變得更敏感，更加相互依賴。用技術(shù)術(shù)語來講，它們之間的關(guān)系變得“高度相關(guān)”。而這也正是事情變得非常有趣的地方：電子活動方式的這種相關(guān)性的提高，可以產(chǎn)生原來根本不可能出現(xiàn)的奇跡。

以超導體為例，傳統(tǒng)超導體中的電子互動導致它們組合成“庫珀對”。量子力學定律限制了擁有相同屬性（能量、位置等）電子的數(shù)量，但這并不適用于這種特殊的庫珀對，它們可以聚集一起，在沒有阻力的情況下，不受晶格原子的阻礙而四處移動。事實上，庫珀對是高能準粒子的一個范例：許多電子呈聚集態(tài)四處移動，其表現(xiàn)像是一種新型粒子。

所以，如果想要尋找奇特的電子特性，讓電子相關(guān)，二維材料是最好的選擇。在三維空間里，電子通常有許多方式彼此遠離，避免接觸，但在二維空間里，特別是在石墨烯這樣的薄層導體材料中，電子活動更趨向于聚合，從而顯示出不同尋常的神奇特性。

存在于二維空間的“調(diào)諧按鈕”

美國新澤西州羅格斯大學的伊娃·安德烈伊和她的同事發(fā)現(xiàn)，當一層石墨烯薄片疊在另一石墨烯薄片上時，樣本中的電子能量水平會出現(xiàn)一種被稱為“魔角效應”的奇特變化，特別是當一層相對于另一層旋轉(zhuǎn)約1°時，這種效應尤為明顯。

其他一些研究團隊也報告稱發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象，理論物理學家對此很感興趣，他們想知道，為什么會這樣，究竟發(fā)生了什么。

美國德克薩斯大學奧斯汀分校的艾倫·麥克唐納和同事對雙層石墨烯的電子屬性研究后發(fā)現(xiàn)，當兩層薄片處于某個旋轉(zhuǎn)角度時，電子的移動速度降為零?！半娮踊顒油耆Ｖ沽??！丙溈颂萍{說，“這對我們來說是個完全意想不到的驚喜?！?/p>

最大“神奇扭角”約為1.16°，但要深入研究石墨烯的種種神奇，這仍然太小，需要對旋轉(zhuǎn)角度的方向進行極其精細的控制。赫雷羅認為，這種神奇扭轉(zhuǎn)角具有極大潛力，有可能成為電子屬性中前所未有的新“調(diào)諧旋鈕”，所以他決定試一下。

一開始，他的團隊在扭曲雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)，電子帶的動能很小，正如麥克唐納等人對電子低速移動的預測一樣。于是，研究人員開始尋找一種被稱為莫特絕緣體的非導電態(tài)，他們認為這種狀態(tài)可能存在于強相關(guān)電子中。后來，赫雷羅團隊對這種電子行為進行觀察后，發(fā)現(xiàn)了更有趣的現(xiàn)象。他們發(fā)現(xiàn)，對石墨烯施加電壓進行微調(diào)，改變攜帶電流的電子數(shù)量，就可以產(chǎn)生超導體。與所有的超導體材料一樣，這種情況只在低于1.7K的極低溫度下才會出現(xiàn)。

“魔角”石墨烯的這種奇特電子效應引起了許多研究人員的興趣，紛紛加入這一研究領域。激發(fā)他們興趣的，不僅僅是發(fā)現(xiàn)新的基礎物理學的前景，還因為超導體材料的廣泛需求。比如，用于量子計算機中的量子比特，可通過量子物理學一些特殊定理加速某些特定運算。在一些需要用到強磁場的應用技術(shù)中，如核磁共振成像和核聚變反應堆等，也是超導體大顯身手的領域。

產(chǎn)生磁場的方法之一是讓電流繞線圈流動。對超導線圈加大電流強度可產(chǎn)生更強大的磁場。但是超導導線需要保持極低溫度，處理難度很大。

這就解釋了為何研究人員對“魔角”石墨烯的超導性能如此感興趣，它可能為人們最終理解某些奇特超導現(xiàn)象提供新的途徑。例如，某些被稱為“層狀銅氧化物”的銅基化合物可在相對較高（135k，相當于-138℃）的溫度條件下產(chǎn)生超導性。40年前，這類超導體首次被報道后，其奇特的超導行為一直困擾著研究人員。

▲95后中國學者曹原在“魔角”石墨烯領域不斷獲得原創(chuàng)性突破，被譽為“石墨烯駕馭者”。 圖/nature.com

“對‘魔角’石墨烯的理解是否能幫助我們理解層狀銅氧化物超導特性產(chǎn)生的原因，我們至今還不甚清楚。”赫雷羅說。他指出，層狀銅氧化物和“魔角”石墨烯的相同之處是，它們都是疊層材料，且擁有一些相同的屬性，但它們也有很多不同。赫雷羅直覺認為，這一研究對我們會有所幫助，但現(xiàn)在就下結(jié)論還為時過早。

摩爾效應與哈伯德模型

“魔角”石墨烯是如何產(chǎn)生的？通常，赫雷羅的研究小組先取來一個六方氮化硼（hBN）薄片。之所以用它，是因為它具有與石墨烯相同的蜂窩結(jié)構(gòu)，厚度為1000萬分之一到3000萬分之一毫米。研究人員以其用作膠帶，從石墨中剝離一層石墨烯，然后再剝離第二層，手動調(diào)整hBN薄片的方向，相對于第一層略微旋轉(zhuǎn)，最后再將測量導電率所需的各種組件組裝上去。然而，創(chuàng)建這樣的結(jié)構(gòu)難度非常大。

“摩爾系統(tǒng)的物理性質(zhì)會隨著扭角角度的微小變化而變化?！焙绽琢_說，這些系統(tǒng)可能并不穩(wěn)定，“有很多張力和扭曲，原子會四處移動，爭相占據(jù)最合適的位置?！?/p>

不過也許有替代辦法，可以不依賴“魔角”來解決這些問題。研究人員發(fā)現(xiàn)，利用原子間隙略有不同的兩種不同材質(zhì)薄片，也可以產(chǎn)生某種摩爾超晶格。

過渡金屬二鹵族化物（TMDs），如二硫化鎢和二硒化鎢，也能形成六邊形鍵合層。由不同材料制成的兩層或更多層鍵合層，可產(chǎn)生多種不同的原子排列模式。例如，利用二硫化鎢和二硒化鎢原子間距4%的不匹配，可產(chǎn)生摩爾效應圖案，圖案以每8納米的間隔重復出現(xiàn)。

TMD雙層材料不依賴于“魔角”，對扭轉(zhuǎn)角度的微小變化不敏感，實驗的可重復性要高得多。美國康奈爾大學的研究人員與麥克唐納等人合作，證明了一個由二硫化鎢和二硒化鎢構(gòu)成的摩爾系統(tǒng)，用來探索各種相關(guān)電子行為，可作為最流行的“哈伯德模型”的物理模擬。

哈伯德模型于1963年由物理學家約翰·哈伯德提出，并以他的名字命名。哈伯德模型將電子能量分為兩種：動能和相互作用產(chǎn)生的能量。哈伯德模型是研究莫特絕緣體、超導體（特別是銅氧化物）和有序磁性的常用模型。盡管它的簡單性令人沉醉，但在數(shù)學處理上卻很困難，模型方程的精確解法仍然只存在于一維系統(tǒng)中。

但麥克唐納認為，這些能夠?qū)崿F(xiàn)摩爾效應的材料是哈伯德模型的完美映射。實驗證明，改變施加在TMD雙層材料樣本上的電壓，模型可以預測材料樣本一系列行為變化，如鐵磁性和反鐵磁性之間的轉(zhuǎn)換。隨著磁性轉(zhuǎn)換，原子旋轉(zhuǎn)方向也會隨之改變，不需要通過復雜的數(shù)學計算，通過實驗也可得出模型預測結(jié)果。

麥克唐納說，摩爾系統(tǒng)還將給我們帶來多少驚喜，我們并沒有完全的信心。但通過“魔角”石墨烯超導性理解的研究進展及預期，他表達了謹慎樂觀的態(tài)度：“這些進展對于我們理解高溫超導性具有重要意義?！?/p>

一些驚喜是我們可以期待的，赫雷羅最初在這些系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)超導性就是一個完全出乎意料的驚喜。盡管在之后幾年里取得了持續(xù)進展，但赫雷羅認為，對于數(shù)百個有可能構(gòu)建成功的摩爾系統(tǒng)中，科學家的認識還只限于表面，“這些都是非常復雜的系統(tǒng)，它們具有各自不同的組成部分、幾何形狀及復雜程度”。

科學家們在這一未知領域內(nèi)已經(jīng)邁出了令人振奮的第一步，未來有許多可能性正等待著人們?nèi)ヌ剿骱桶l(fā)現(xiàn)。

>>>延伸閱讀

石墨烯：未來蘊含無限可能

“魔角”石墨烯擁有許多令人著迷的特性，這讓科研人員對它的研究欲罷不能。未來，還將有無限可能的新發(fā)現(xiàn)，蘊藏在這種神奇材料中。

鐵磁性

“魔角”石墨烯能夠顯現(xiàn)出像鐵那樣的鐵磁特性。鐵磁性通過電子快速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生，屬于一種量子特性。在具有鐵磁特性的一些材料中，所有電子的旋轉(zhuǎn)方向都是一致的。

2019年，美國加州標準材料與能源科學研究所的戴維·戈登和他的同事，通過操縱“魔角”石墨烯的電子帶，首次觀察到了石墨烯的鐵磁性能。可控鐵磁性可通過開關(guān)控制，在一種叫做“自旋電子學”的電子技術(shù)中很有用，研究人員可利用電子自旋來給信息編碼，而不是電流脈沖。

新的準粒子

對“魔角”石墨烯的研究還是發(fā)現(xiàn)新的奇特準粒子的沃土，包括那些攜帶分數(shù)電荷的準粒子。電子電荷是一種基本單位，沒有比它電荷更小的自由粒子了。但在一種被稱為“分數(shù)量子霍爾效應”的奇特現(xiàn)象中，電子表現(xiàn)得好像帶有分數(shù)電荷。分數(shù)電荷準粒子的電子通常呈分離態(tài)，在“魔角”石墨烯中，電子按準粒子晶格排列，被稱為“分數(shù)陳絕緣子”。

科學家研究分數(shù)準粒子，不僅是出于科學探索的好奇心，也出于實際應用的需要。分數(shù)準粒子與“任意子”有著驚人的相似之處，而“任意子”是一種假想準粒子，是量子計算迫切需要的。

在粒子物理學標準模型中，基本粒子可歸為兩大類：一類是費米子，比如電子；另一類是玻色子，比如光子。準粒子通常也遵循這樣的二分法。比如，庫珀對是玻色子，但任意子如果存在的話，就是介于玻色子和費米子之間的某種東西。有人提出，將特定類型的任意子當作量子比特，可避免導致計算失誤的量子比特狀態(tài)翻轉(zhuǎn)或隨機化，這類錯誤正是阻礙目前量子計算機發(fā)展的一個“絆腳石”。

奇異量子效應

有關(guān)石墨烯超薄材料奇異量子效應的新發(fā)現(xiàn)不斷給人們帶來驚喜。2021年3月，美國哈佛大學的阿希文·維什瓦納斯和他的同事提出了扭曲石墨烯具有超導性的理論，該理論基于一種被稱為“斯格明子”的準粒子。2021年12月，美國普林斯頓大學的研究人員發(fā)布了與這種斯格明子準粒子有關(guān)的報告。2022年年初，赫雷羅在三層石墨烯中發(fā)現(xiàn)了超導性，哈佛大學菲利普·金姆領導的一個研究團隊也獨立得出了相同結(jié)果。之后，赫雷羅的研究團隊證實，四層甚至五層石墨烯中也存在超導性。

▲耐高溫實驗中的石墨烯材料。

哪些地方能用上石墨烯

電子材料領域

作為電極材料，石墨烯是絕佳的負極材料，被認為是可以替代硅的芯片材料。另外，石墨烯在柔性屏幕、可穿戴設備、太陽能充電等領域的應用也有待挖掘。

石墨烯在可穿戴設備領域具有一定應用空間。例如，愛爾蘭科學家正在開發(fā)基于石墨烯的靈活可穿戴傳感器，并發(fā)現(xiàn)該傳感器能夠檢測到用戶最細微的動作，包括跟蹤呼吸和脈搏。另外，該傳感器還能實現(xiàn)自供電。

散熱材料領域

金屬納米石墨烯導熱塑料如應用在LED燈具等產(chǎn)品的散熱上，其系統(tǒng)成本至少可降低30%。石墨烯所具有的快速導熱與散熱特性，使得石墨烯成為極佳的散熱材料，可用于智能手機、平板電腦、大功率節(jié)能LED照明、衛(wèi)星電路等。

汽車領域

石墨烯潤滑油有自修復性能，能形成潤滑保護膜，還具有抗磨性能和優(yōu)異的成膜性能。它所獨有的分水性能，可有效防止乳化。此外，它還具有很好的抗氧散熱性，可有效延長機油使用周期。

石墨烯還可應用于動力電池負極復合材料、鋰電池正極導電劑和功能涂層鋁箔中，可極大減輕電池重量從而降低整車質(zhì)量、延長電池使用壽命，大大提高電動汽車續(xù)航里程和充電速度。將石墨烯應用到熱成像設備的芯片中，將可能使未來汽車有夜視功能。

生物醫(yī)學領域

石墨烯具有突出的力學性能和生物相容性，將其作為增強填料可顯著提高生物材料的力學性能。在基因組測序技術(shù)領域，最近成功開發(fā)出來的DNA感測器，是一種以石墨烯為基礎的場效應類晶體管設備，能探測DNA鏈的旋轉(zhuǎn)和位置結(jié)構(gòu)。該感測器利用石墨烯的電學性質(zhì)，成功實現(xiàn)檢測DNA序列的微觀功能。
來自文匯報。