參考消息網12月12日報道英國《新科學家》周刊12月3日刊登題為《隱藏在超薄材料中的奇特量子效應曝光》的封面文章，作者是菲利普·鮑爾。全文摘編如下： 2018年3月，在洛杉磯會議中心舉行的美國物理學會年度會議氣氛非常熱烈。為了容納更多聽眾，會議已經轉移到中庭，但人們仍然不得不擠到陽臺上觀看活動。 有傳言說，麻省理工學院的物理學家巴勃羅·哈里略-埃雷羅有重大成果發布，此前他和同事一直開展石墨烯實驗。石墨烯是從石墨(就是鉛筆芯的主要成分)上剝離下來、只有單個原子厚度的碳層，已經因為具備多種前景廣闊的電子特性而聞名。

扭曲石墨烯的驚喜

哈里略-埃雷羅在會上展示，如果將兩片石墨烯疊加，然后扭曲或旋轉，當其中一片相對于另一片形成特定的“魔角”時，石墨烯或是成為絕緣體，其電流幾乎停止，或者成為超導體，其電流電阻為零。這是一個驚人的絕技展示，而且可能意義重大，因為超導體有望應用于從量子計算到核聚變等各個領域。

從那以后，研究人員利用扭曲的石墨烯生成了各種奇特的量子效應，包括能呈現出磁渦旋態，并具備奇異電子特性的“準粒子”。哈佛大學的阿米爾·亞科比說：“令人興奮的是，它們蘊含帶來驚喜的巨大潛力。”

更加振奮人心的是，這一旅程幾乎還沒起步。現在，我們可以通過增加石墨烯的層數或替換成其他材料來得出類似效應，進而深入研究隱藏在二維材料中的全新物理學。

研究這些扭曲的堆垛物質提供一種新方法來探究材料的根本性質，更具體地說，是探究原子排列如何影響其特性。

就石墨烯而言，碳原子由蜂巢狀的六邊形晶格相互連接，在這些晶格帶中，電子可以自由穿梭。事實上，如果是蜂巢狀晶格結構沒有任何瑕疵的完好石墨烯，理論上其電子能以光速移動，就好像根本沒有質量一樣。

但是，如果有兩層石墨烯，而且相對其中一層扭曲另一層，就能改變電子的移動方式。哈里略-埃雷羅說：“如果電子擁有大量動能，移動速度極快，就幾乎沒有時間相互作用。”但他補充說，由于電子在扭曲的雙層石墨烯中移動放緩，情況發生了變化。強大的相互作用意味著電子運動變得相互間非常敏感和依賴。用術語說，就是它們變得高度相關——事情正是從這里開始變得有趣，因為相關的電子能夠完成本來不可能完成的壯舉。

要尋找怪異的電子特性，就要讓電子相關；要讓電子強相關，扁平材料就是最保險的選擇。三維結構中，電子有更多方式彼此遠離；而在二維結構中，特別是石墨烯這類片狀導體，電子更有可能聚集起來上演絕技。

“魔角”或成“調節旋鈕”

美國拉特格斯大學的伊娃·安德烈及其同事已經瞥見“魔角”效應，他們在兩層疊放的石墨烯樣本中看到電子能量水平發生的怪事。當一層經旋轉與另一層形成約1度的相對角度時，這種效應尤其明顯。

最大的“魔角”約為1.16度，這仍然十分微小，需要極端精細地控制石墨烯薄層的方向。但哈里略-埃雷羅看出，這種扭曲角度有可能成為電子特性前所未有的新“調節旋鈕”，因此決定試一試。

2016年，他的研究團隊在扭曲的雙層石墨烯中發現了第一則證據，證明電子帶中的動能很小。于是研究人員加緊推進，尋找一種叫做Mott絕緣體的非導電態，他們認為這種非導電態可能源自電子的強相關。

果然，2018年哈里略-埃雷羅的研究團隊也觀察到這種行為，此外還發現了更有趣的現象。如果研究人員改變電壓來微調攜帶電流的電子數量，就能獲得超導體。與所有超導材料一樣，這種超導行為只出現在極低溫度下——低于1.7開爾文，也就是只比絕對零度高出不到2攝氏度。哈里略-埃雷羅說，沒人預料到這一點。

于是，研究人員迅速蜂擁研究“魔角”石墨烯產生的奇特電子效應。激勵他們的不僅是可能發現新的基礎物理學，還有對超導體的需求。超導體可用于量子計算機的量子比特中，利用量子物理學的特殊定律來加速特定計算，還能用于需要強磁場的技術，比如磁共振成像(MRI)儀器和核聚變反應堆。

產生磁場的方式之一是為線圈通電。對超導線圈加大電流強度能產生強大得多的磁場。但是，超導線圈必須保持極低溫度，處理起來并不容易。這就解釋了為什么有些人對這種可能性很感興趣：“魔角”石墨烯的超導行為或許能提供一種方式，讓人們最終理解為什么某些銅基化合物能在135開(零下138攝氏度)的相對溫暖環境下表現出超導行為。這種超導行為是近40年前首次報道的，此后一直困擾著學術領域。

哈里略-埃雷羅說：“我們還不知道，‘魔角’石墨烯是否有助于我們了解銅酸鹽的超導性從何而來。”他說，銅酸鹽和“魔角”石墨烯都是堆垛材料，還有其他共同特性，但也有很多不同。他說：“我的直覺是，會(有所幫助)，但現在下結論還為時過早。”

新發現蘊含無限可能

不管怎樣，從“魔角”石墨烯中發現了大量引人注目的現象。例如，它能像鐵一樣，生成鐵磁性。2019年，斯坦福大學材料和能源科學研究所的戴維·戈德哈貝爾·戈登及其同事通過操縱“魔角”石墨烯的電子帶，得以首次觀察到石墨烯的鐵磁特性。

事實證明“魔角”石墨烯還是發現新奇“準粒子”的沃土，包括攜帶分數電荷的準粒子。這些分數準粒子不只為滿足科學界的好奇心，也能服務于實際利益，因為它們與“任意子”——一種為量子計算苦苦尋覓的假想準粒子——驚人地相似。

根據粒子物理學的標準模型，所有基本粒子都可歸為兩大類：一種是費米子，比如電子，另一種是玻色子，比如光子。準粒子通常也遵循這樣的二分法。但是，任意子如果存在，就介于玻色子和費米子之間。有人提出將特定類型的任意子當作量子比特，能避免出現導致量子計算錯誤的隨機翻轉——這正是目前量子計算機難以大展拳腳的主要障礙之一。

新發現不斷涌現。2021年3月，哈佛大學的阿什溫·維什瓦納特及其同事基于名為“斯格明子”的準粒子，提出了扭曲的石墨烯具有超導性的理論。今年早些時候，哈里略-埃雷羅在三層石墨烯中發現了超導性，哈佛大學菲利普·金領導的研究團隊也獨立得出這一結果。哈里略-埃雷羅的研究團隊后來證明，即使在四層和五層石墨烯中也存在超導性。

哈里略-埃雷羅說：“短短幾年，通過將非常簡單的材料結合起來，我們幾乎實現了凝聚態物理學的所有階段。想想就覺得不同尋常。”

我們應該會迎來更多驚喜。哈里略-埃雷羅最初在石墨烯中發現超導性時，是完全出乎意料的。盡管此后取得了上述進展，但他堅稱，“我們能制造出成百上千的摩爾結構，而且成分、幾何形狀和復雜程度都截然不同，但是現在幾乎還沒摸到門路。”面對充滿各種可能性的未知前景，我們僅僅邁出頭幾步。

審核編輯 ：李倩