自(zi)2010年(nian)(nian)獲得(de)諾(nuo)貝爾物理學獎以(yi)來，石墨(mo)烯(xi)近(jin)年(nian)(nian)來成(cheng)為(wei)二維材料的(de)“流(liu)量明(ming)星”。今年(nian)(nian)前三個月，國際(ji)頂(ding)級學術期刊(kan)《自(zi)然》《科學》雜志(zhi)已發表三篇關于石墨(mo)烯(xi)的(de)報道。這些研究或為(wei)設計(ji)石墨(mo)烯(xi)基超導體奠定基礎，或為(wei)探索(suo)石墨(mo)烯(xi)系(xi)統中的(de)流(liu)體動力學開(kai)辟新路。

一直以(yi)來，石墨烯以(yi)應用前景廣泛的(de)(de)電子特性而(er)聞名。隨(sui)著研究的(de)(de)不斷深入(ru)，它的(de)(de)更多神(shen)奇(qi)性能有(you)待(dai)人們去發(fa)現和探索(suo)。

▲研究顯示石墨(mo)烯片具有六邊形(xing)分子和能量(liang)。

五年前，在(zai)美國(guo)洛(luo)杉(shan)磯(ji)會(hui)議中心(xin)舉(ju)行的美國(guo)物理(li)學會(hui)年會(hui)上，美國(guo)麻省(sheng)理(li)工學院的物理(li)學家巴勃羅·賈里略(lve)·赫(he)雷羅發(fa)布了一項重大(da)成果。

此前，赫雷(lei)羅和他的(de)同事一(yi)直在(zai)進行石墨烯的(de)實驗研究(jiu)，石墨烯是從石墨（鉛筆芯的(de)主要成分）上剝離下來只有單個(ge)(ge)原(yuan)子厚(hou)度的(de)碳薄(bo)片(pian)材(cai)料。然而，當赫雷(lei)羅將兩個(ge)(ge)石墨烯薄(bo)片(pian)堆疊在(zai)一(yi)起，以一(yi)薄(bo)片(pian)相對(dui)于另(ling)一(yi)薄(bo)片(pian)旋轉，形成某(mou)個(ge)(ge)神(shen)奇“魔角”時，一(yi)種神(shen)奇的(de)效應(ying)產生(sheng)了(le)。

就是這(zhe)個在石墨烯錯位層(ceng)中的意(yi)外(wai)發現(xian)，為科學家研究(jiu)二維材料奇異物理學開辟了一個新的領域。

“扭一扭”創造神奇材料特性

在(zai)那(nei)次美(mei)國物理學(xue)會年會上，赫雷羅展示(shi)了石墨烯(xi)的一種神奇新特性(xing)。他們將兩層(ceng)石墨烯(xi)堆以(yi)某(mou)個角度差異(yi)疊(die)在(zai)一起(qi)，并通過門電壓調(diao)控載流(liu)子濃度，成功實(shi)現了能帶半(ban)滿填(tian)充狀態下(xia)的絕緣體，繼而實(shi)現1.7K（開爾文(wen)）溫度下(xia)的超導電性(xing)。

神(shen)奇(qi)“魔角(jiao)”或(huo)讓石(shi)墨烯成(cheng)為電流(liu)(liu)幾乎不流(liu)(liu)動的絕緣(yuan)體，或(huo)成(cheng)為超導體。這是一個(ge)(ge)具有重要意義的驚人(ren)發現，因(yin)為從量(liang)子計算(suan)到核聚變等多(duo)個(ge)(ge)前沿技術領(ling)域中，超導體都有廣泛的應用(yong)前景。

在這(zhe)次(ci)年會之后，研究人員通過石墨烯疊層扭轉產生“魔角”效(xiao)應實(shi)驗，發現了許(xu)多奇異的(de)量子效(xiao)應，例如顯示磁渦旋特(te)性(xing)(xing)的(de)“準粒子”。美國哈佛(fo)大學的(de)阿米爾·亞科比認為，這(zhe)些奇異特(te)性(xing)(xing)令人興奮，蘊(yun)含著巨(ju)大的(de)應用潛力(li)。

更令(ling)人(ren)振奮的(de)是，石(shi)墨烯的(de)神奇才剛(gang)剛(gang)嶄露(lu)頭角。新(xin)的(de)研究(jiu)發現(xian)，通過增加石(shi)墨烯薄片的(de)層數，或以其他材料互換(huan)，也會(hui)產生(sheng)類似(si)效應。在探索(suo)石(shi)墨烯神奇特(te)性的(de)發現(xian)之旅中，科學家(jia)將(jiang)深入研究(jiu)隱藏在二維(wei)材料中不可(ke)思(si)議的(de)全新(xin)物理(li)學。

石墨(mo)烯薄(bo)片(pian)疊層扭轉后表現(xian)的種種神奇特(te)性，為研究材料的基本特(te)性，尤其是探索不同原子排列方(fang)式對材料特(te)性所產(chan)生的作用，開辟了新的途徑。

材(cai)(cai)料(liao)是(shi)否(fou)導電(dian)(dian)(dian)，取(qu)決于原子(zi)(zi)中的(de)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)在(zai)(zai)(zai)原子(zi)(zi)核周圍的(de)排列模式。大(da)致原理(li)為，相鄰原子(zi)(zi)的(de)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)向(xiang)外移(yi)動(dong)，形成一(yi)(yi)個互(hu)相重(zhong)疊的(de)“電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)帶”。在(zai)(zai)(zai)導電(dian)(dian)(dian)材(cai)(cai)料(liao)中，高(gao)能(neng)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)“電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)帶”擁(yong)有(you)更多(duo)可容納其他(ta)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)的(de)空間，其本身也有(you)更多(duo)可移(yi)動(dong)空間，一(yi)(yi)旦施加電(dian)(dian)(dian)壓，就可形成電(dian)(dian)(dian)流在(zai)(zai)(zai)電(dian)(dian)(dian)極之間流動(dong)。而在(zai)(zai)(zai)絕(jue)緣體材(cai)(cai)料(liao)中，高(gao)能(neng)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)帶和低能(neng)電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)帶一(yi)(yi)樣，都擠滿(man)了電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)，在(zai)(zai)(zai)這樣的(de)材(cai)(cai)料(liao)中，電(dian)(dian)(dian)子(zi)(zi)就像擠在(zai)(zai)(zai)擁(yong)擠房(fang)間里的(de)人群(qun)一(yi)(yi)樣，幾乎(hu)沒有(you)自由移(yi)動(dong)的(de)余地。

石(shi)墨烯中(zhong)的(de)碳原子由(you)蜂巢狀六邊(bian)形晶格互(hu)相連接，所以(yi)這(zhe)種材(cai)料(liao)中(zhong)的(de)電子可以(yi)在晶格帶中(zhong)自由(you)穿梭，這(zhe)正是(shi)高(gao)速運(yun)行電子器件所需要的(de)優良特性。

事實上，如(ru)果是蜂巢(chao)晶(jing)(jing)格(ge)結構沒有(you)任何(he)瑕疵(ci)的天然石墨(mo)(mo)烯，從理論(lun)上來說，其電(dian)子(zi)可(ke)以光速移動(dong)，就(jiu)像根本沒有(you)任何(he)質(zhi)量一(yi)樣。但如(ru)果兩層(ceng)石墨(mo)(mo)烯薄片相疊，其中(zhong)(zhong)一(yi)層(ceng)相對于另一(yi)層(ceng)以某種角度扭曲，就(jiu)可(ke)以改(gai)變(bian)電(dian)子(zi)的移動(dong)方向。電(dian)子(zi)在兩個六邊(bian)形晶(jing)(jing)格(ge)中(zhong)(zhong)來回穿梭(suo)，形成(cheng)“超晶(jing)(jing)格(ge)”，產生神(shen)奇(qi)的“莫爾效(xiao)應”。

在石墨(mo)(mo)烯(xi)中，電(dian)子行為(wei)不光受碳原子晶格的(de)影(ying)(ying)響，莫爾超晶格同時也會對電(dian)子在兩(liang)層石墨(mo)(mo)烯(xi)之間的(de)自由移動度(du)產生影(ying)(ying)響。因此通過改變兩(liang)層石墨(mo)(mo)烯(xi)薄片相疊的(de)角度(du)，可以大幅降低雙層石墨(mo)(mo)烯(xi)薄片之間傳導電(dian)子的(de)速度(du)，從而改變電(dian)子行為(wei)。

“如(ru)果(guo)(guo)擁(yong)有大(da)量動(dong)(dong)能(neng)，如(ru)果(guo)(guo)電(dian)子移(yi)動(dong)(dong)速(su)度(du)極快，它們幾乎(hu)沒有時間產生相互(hu)作用(yong)(yong)。”赫(he)雷羅說。但是(shi)(shi)，如(ru)果(guo)(guo)扭曲相疊(die)的(de)兩層石(shi)墨(mo)烯薄(bo)片(pian)中的(de)電(dian)子移(yi)動(dong)(dong)速(su)度(du)放(fang)緩，情(qing)況就不一樣了(le)。雙(shuang)層石(shi)墨(mo)烯薄(bo)片(pian)電(dian)子之間強大(da)的(de)相互(hu)作用(yong)(yong)意味著電(dian)子的(de)相互(hu)運動(dong)(dong)變(bian)得(de)(de)更敏感(gan)，更加(jia)相互(hu)依賴。用(yong)(yong)技術術語來講，它們之間的(de)關系變(bian)得(de)(de)“高度(du)相關”。而這也正是(shi)(shi)事情(qing)變(bian)得(de)(de)非常有趣(qu)的(de)地方：電(dian)子活動(dong)(dong)方式的(de)這種相關性的(de)提高，可(ke)以產生原(yuan)來根本不可(ke)能(neng)出現的(de)奇(qi)跡(ji)。

以超導體(ti)為例(li)，傳統超導體(ti)中的電子(zi)(zi)(zi)互動(dong)導致它(ta)們(men)組合成“庫(ku)(ku)珀對”。量(liang)子(zi)(zi)(zi)力學(xue)定(ding)律限制了擁有相同屬(shu)性（能(neng)(neng)量(liang)、位置(zhi)等）電子(zi)(zi)(zi)的數量(liang)，但這并不適用于這種特(te)殊的庫(ku)(ku)珀對，它(ta)們(men)可以聚集一起，在沒有阻(zu)力的情(qing)況下，不受晶格原子(zi)(zi)(zi)的阻(zu)礙而(er)四處(chu)移(yi)動(dong)。事實上，庫(ku)(ku)珀對是高能(neng)(neng)準粒(li)子(zi)(zi)(zi)的一個范(fan)例(li)：許多電子(zi)(zi)(zi)呈(cheng)聚集態四處(chu)移(yi)動(dong)，其(qi)表現像是一種新(xin)型粒(li)子(zi)(zi)(zi)。

所以，如果想要尋(xun)找奇(qi)特的(de)電子(zi)(zi)特性，讓(rang)電子(zi)(zi)相關，二維材(cai)(cai)料(liao)是最好的(de)選擇(ze)。在(zai)(zai)三維空間里(li)，電子(zi)(zi)通常(chang)有(you)許多方式彼此遠離，避免接觸，但(dan)在(zai)(zai)二維空間里(li)，特別是在(zai)(zai)石墨烯這樣的(de)薄層導體材(cai)(cai)料(liao)中，電子(zi)(zi)活動更趨向于(yu)聚合，從而顯示出不同(tong)尋(xun)常(chang)的(de)神(shen)奇(qi)特性。

存在于二維空間的“調諧按鈕”

美國新澤西(xi)州羅格斯大(da)學的(de)伊(yi)娃·安德烈伊(yi)和她(ta)的(de)同(tong)事(shi)發現，當一(yi)層石墨烯薄片疊在(zai)另一(yi)石墨烯薄片上時(shi)，樣(yang)本中的(de)電(dian)子能量水平會出現一(yi)種被稱為“魔角效應”的(de)奇特變化(hua)，特別是當一(yi)層相對于另一(yi)層旋轉約1°時(shi)，這(zhe)種效應尤為明顯。

其他一些(xie)研(yan)究團隊也報告稱發(fa)(fa)現了類似現象(xiang)，理(li)論物理(li)學家對此很感興趣，他們(men)想知道(dao)，為什(shen)么會這樣，究竟發(fa)(fa)生了什(shen)么。

美國德克(ke)薩斯大學奧斯汀分校(xiao)的艾(ai)倫·麥克(ke)唐(tang)納(na)(na)和同(tong)事對(dui)雙層石墨烯的電子屬性研究后(hou)發現，當兩(liang)層薄片處(chu)于某個(ge)旋轉角度時，電子的移動速度降為(wei)零。“電子活動完全停止了。”麥克(ke)唐(tang)納(na)(na)說，“這對(dui)我們來說是(shi)個(ge)完全意想不到的驚喜(xi)。”

最大(da)“神奇扭角”約為(wei)1.16°，但要深(shen)入研(yan)究石墨(mo)烯(xi)的種(zhong)(zhong)種(zhong)(zhong)神奇，這(zhe)仍然太(tai)小(xiao)，需要對旋轉(zhuan)角度的方向進行極其精細的控(kong)制。赫雷(lei)羅(luo)認為(wei)，這(zhe)種(zhong)(zhong)神奇扭轉(zhuan)角具有(you)極大(da)潛(qian)力，有(you)可能(neng)成為(wei)電子屬性中前所未有(you)的新“調諧旋鈕”，所以他(ta)決定試(shi)一下。

一開(kai)(kai)始(shi)，他(ta)的(de)(de)團隊在扭曲雙層石(shi)墨烯中發(fa)現，電(dian)(dian)子(zi)帶的(de)(de)動能很小(xiao)，正如麥(mai)克唐納(na)等人(ren)(ren)對(dui)(dui)電(dian)(dian)子(zi)低速移動的(de)(de)預測一樣(yang)。于(yu)(yu)是，研究人(ren)(ren)員(yuan)開(kai)(kai)始(shi)尋找一種(zhong)被稱為莫特絕緣體的(de)(de)非導(dao)電(dian)(dian)態，他(ta)們(men)認為這種(zhong)狀態可(ke)(ke)能存在于(yu)(yu)強相關電(dian)(dian)子(zi)中。后(hou)來，赫雷羅團隊對(dui)(dui)這種(zhong)電(dian)(dian)子(zi)行(xing)為進行(xing)觀察后(hou)，發(fa)現了更有趣的(de)(de)現象。他(ta)們(men)發(fa)現，對(dui)(dui)石(shi)墨烯施加電(dian)(dian)壓進行(xing)微調，改變(bian)攜帶電(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)電(dian)(dian)子(zi)數量，就(jiu)可(ke)(ke)以產生超(chao)導(dao)體。與所有的(de)(de)超(chao)導(dao)體材料一樣(yang)，這種(zhong)情況(kuang)只在低于(yu)(yu)1.7K的(de)(de)極(ji)低溫(wen)度下才會出現。

“魔角”石墨烯的(de)這(zhe)種(zhong)奇特(te)(te)電子效應引起(qi)了許多研究(jiu)人員(yuan)的(de)興趣(qu)(qu)，紛紛加入(ru)這(zhe)一(yi)(yi)(yi)研究(jiu)領域。激(ji)發他們興趣(qu)(qu)的(de)，不(bu)僅僅是(shi)發現新的(de)基礎物理(li)(li)學(xue)(xue)的(de)前景，還因為超(chao)導體材料的(de)廣泛需求。比如(ru)，用(yong)于量(liang)子計算機中(zhong)的(de)量(liang)子比特(te)(te)，可通過量(liang)子物理(li)(li)學(xue)(xue)一(yi)(yi)(yi)些(xie)特(te)(te)殊(shu)定理(li)(li)加速某些(xie)特(te)(te)定運算。在一(yi)(yi)(yi)些(xie)需要用(yong)到強磁場的(de)應用(yong)技(ji)術中(zhong)，如(ru)核磁共振成像和(he)核聚變反(fan)應堆等，也是(shi)超(chao)導體大顯身(shen)手的(de)領域。

產(chan)生(sheng)磁場(chang)的(de)方法之一是讓電流(liu)繞線(xian)圈(quan)流(liu)動。對超(chao)導(dao)線(xian)圈(quan)加大電流(liu)強(qiang)度可產(chan)生(sheng)更(geng)強(qiang)大的(de)磁場(chang)。但是超(chao)導(dao)導(dao)線(xian)需(xu)要保持極低溫度，處理(li)難度很大。

這(zhe)(zhe)就解釋(shi)了為(wei)何研究(jiu)人員對(dui)“魔角(jiao)”石墨(mo)烯(xi)的(de)超(chao)導性(xing)能(neng)如此感興趣，它可能(neng)為(wei)人們最終理解某些(xie)(xie)奇(qi)特(te)超(chao)導現象提供(gong)新的(de)途徑。例如，某些(xie)(xie)被稱(cheng)為(wei)“層狀銅(tong)氧化(hua)物”的(de)銅(tong)基化(hua)合物可在相對(dui)較高(gao)（135k，相當于-138℃）的(de)溫(wen)度條件下產生超(chao)導性(xing)。40年(nian)前，這(zhe)(zhe)類超(chao)導體首次被報(bao)道后，其奇(qi)特(te)的(de)超(chao)導行為(wei)一(yi)直困擾著(zhu)研究(jiu)人員。

▲95后中國學者曹(cao)原在“魔(mo)角”石墨烯領域不斷獲得原創性突破，被(bei)譽為(wei)“石墨烯駕(jia)馭者”。 圖/nature.com

“對(dui)‘魔(mo)角(jiao)’石墨烯的(de)理解是(shi)否能(neng)幫(bang)助(zhu)我(wo)們(men)(men)理解層狀銅(tong)氧化物(wu)超導特性產生的(de)原因，我(wo)們(men)(men)至今還不(bu)甚清楚。”赫雷羅說(shuo)。他指出，層狀銅(tong)氧化物(wu)和“魔(mo)角(jiao)”石墨烯的(de)相(xiang)同(tong)之(zhi)處是(shi)，它們(men)(men)都是(shi)疊層材料，且擁有一(yi)些相(xiang)同(tong)的(de)屬性，但它們(men)(men)也(ye)有很多不(bu)同(tong)。赫雷羅直覺認(ren)為(wei)，這(zhe)一(yi)研(yan)究對(dui)我(wo)們(men)(men)會(hui)有所幫(bang)助(zhu)，但現在就下結論還為(wei)時過早(zao)。

摩爾效應與哈伯德模型

“魔角”石(shi)墨烯是如何(he)產(chan)生的(de)(de)？通常，赫雷羅的(de)(de)研究(jiu)小組先(xian)取來一(yi)(yi)(yi)個六方(fang)氮(dan)化硼(peng)（hBN）薄片。之(zhi)所以(yi)用它，是因為(wei)它具有與石(shi)墨烯相同的(de)(de)蜂窩結構，厚(hou)度為(wei)1000萬(wan)分(fen)之(zhi)一(yi)(yi)(yi)到3000萬(wan)分(fen)之(zhi)一(yi)(yi)(yi)毫米。研究(jiu)人(ren)員(yuan)以(yi)其用作(zuo)膠帶，從石(shi)墨中剝(bo)離一(yi)(yi)(yi)層(ceng)石(shi)墨烯，然后(hou)再(zai)剝(bo)離第二(er)層(ceng)，手動調整(zheng)hBN薄片的(de)(de)方(fang)向，相對于第一(yi)(yi)(yi)層(ceng)略(lve)微旋轉，最后(hou)再(zai)將測量導(dao)電率所需的(de)(de)各種組件組裝上去。然而，創建這樣的(de)(de)結構難度非常大。

“摩爾系(xi)統(tong)的物理(li)性質(zhi)會(hui)隨著(zhu)扭角(jiao)角(jiao)度的微小變化而變化。”赫雷羅說，這些系(xi)統(tong)可(ke)能并不穩(wen)定，“有很多張(zhang)力和扭曲，原(yuan)子會(hui)四處移(yi)動，爭相占據最合適的位置。”

不(bu)過也(ye)(ye)許(xu)有替代辦(ban)法(fa)，可(ke)以不(bu)依(yi)賴“魔角”來解(jie)決這些問題(ti)。研究人員發現，利用原(yuan)子間(jian)隙略有不(bu)同(tong)的兩種(zhong)不(bu)同(tong)材質薄片(pian)，也(ye)(ye)可(ke)以產生某種(zhong)摩(mo)爾超晶格。

過渡金(jin)屬二(er)(er)鹵族(zu)化(hua)(hua)物(wu)（TMDs），如二(er)(er)硫(liu)化(hua)(hua)鎢(wu)和二(er)(er)硒(xi)化(hua)(hua)鎢(wu)，也能形成(cheng)六邊形鍵合層。由不(bu)同材料制成(cheng)的(de)(de)兩層或更多層鍵合層，可產生多種不(bu)同的(de)(de)原子排列模式(shi)。例如，利用二(er)(er)硫(liu)化(hua)(hua)鎢(wu)和二(er)(er)硒(xi)化(hua)(hua)鎢(wu)原子間距4%的(de)(de)不(bu)匹(pi)配(pei)，可產生摩爾效應圖(tu)案(an)，圖(tu)案(an)以每8納米的(de)(de)間隔重復(fu)出現。

TMD雙(shuang)層材料不依賴于“魔角”，對扭轉角度的(de)微小變(bian)化不敏(min)感，實驗的(de)可(ke)重復性(xing)要高得多。美國(guo)康奈爾(er)大學的(de)研(yan)究(jiu)人員與麥克唐納(na)等人合作，證明了一(yi)個由二硫化鎢(wu)和(he)二硒化鎢(wu)構成的(de)摩(mo)爾(er)系統，用來探(tan)索各種相關電子行(xing)為，可(ke)作為最流行(xing)的(de)“哈伯德模型”的(de)物理模擬。

哈(ha)(ha)伯德模型(xing)于(yu)1963年由物理(li)學家約(yue)翰·哈(ha)(ha)伯德提出，并以(yi)他(ta)的(de)名(ming)(ming)字命(ming)名(ming)(ming)。哈(ha)(ha)伯德模型(xing)將電子能量(liang)分為兩(liang)種：動(dong)能和相互(hu)作(zuo)用產生的(de)能量(liang)。哈(ha)(ha)伯德模型(xing)是研(yan)究莫特(te)絕(jue)緣體、超導體（特(te)別是銅(tong)氧化物）和有序磁性的(de)常用模型(xing)。盡管(guan)它的(de)簡單性令人沉醉，但在(zai)數學處理(li)上卻(que)很困難，模型(xing)方程的(de)精確解法仍(reng)然只存在(zai)于(yu)一維系統中。

但(dan)麥克唐(tang)納(na)認為(wei)，這些能夠實現(xian)摩爾(er)效應的材(cai)料(liao)是哈伯德(de)模型的完美映(ying)射。實驗(yan)證明(ming)，改(gai)變(bian)施加(jia)在(zai)TMD雙(shuang)層(ceng)材(cai)料(liao)樣本上的電壓，模型可以預測材(cai)料(liao)樣本一系列行為(wei)變(bian)化，如鐵(tie)磁(ci)性(xing)和反鐵(tie)磁(ci)性(xing)之間的轉(zhuan)換。隨(sui)著磁(ci)性(xing)轉(zhuan)換，原(yuan)子旋轉(zhuan)方(fang)向(xiang)也(ye)會隨(sui)之改(gai)變(bian)，不需要通(tong)(tong)過復雜的數學計算，通(tong)(tong)過實驗(yan)也(ye)可得出模型預測結果。

麥克(ke)唐納(na)說，摩爾系統還(huan)將給我(wo)們(men)(men)帶來(lai)多少驚(jing)喜，我(wo)們(men)(men)并(bing)沒有(you)完全的信(xin)心。但通過“魔角”石墨烯超導性理(li)解的研究進(jin)展(zhan)及預(yu)期，他表達了謹慎樂觀的態(tai)度(du)：“這些進(jin)展(zhan)對(dui)于(yu)我(wo)們(men)(men)理(li)解高溫超導性具有(you)重要(yao)意義(yi)。”

一(yi)些(xie)驚喜是(shi)我們(men)可以期待的(de)(de)，赫雷(lei)羅最初在這(zhe)些(xie)系統(tong)中(zhong)發現(xian)超(chao)導性(xing)就是(shi)一(yi)個完全出乎意料的(de)(de)驚喜。盡管在之后幾(ji)年里取得了持續(xu)進展，但赫雷(lei)羅認(ren)為(wei)，對于數(shu)百個有可能(neng)構建成功(gong)的(de)(de)摩爾(er)系統(tong)中(zhong)，科學家(jia)的(de)(de)認(ren)識還只限于表(biao)面，“這(zhe)些(xie)都是(shi)非(fei)常復雜(za)(za)的(de)(de)系統(tong)，它們(men)具有各自不(bu)同的(de)(de)組成部分、幾(ji)何(he)形(xing)狀及(ji)復雜(za)(za)程度”。

科學家們在這一未(wei)知領域內已經邁出了令人振奮的第一步，未(wei)來有許多可(ke)能性正(zheng)等待著人們去探(tan)索(suo)和發現(xian)。

>>>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(ling)人著迷的特性，這(zhe)讓科(ke)研(yan)人員對它的研(yan)究欲罷(ba)不(bu)能。未(wei)來，還將有無(wu)限可能的新發現，蘊藏(zang)在這(zhe)種神奇材(cai)料中。

鐵磁性

“魔角(jiao)”石墨烯能夠顯現出像鐵(tie)那(nei)樣的(de)鐵(tie)磁(ci)特(te)性(xing)(xing)。鐵(tie)磁(ci)性(xing)(xing)通(tong)過電(dian)子(zi)(zi)快速旋(xuan)轉產(chan)生，屬于一種量子(zi)(zi)特(te)性(xing)(xing)。在具有(you)鐵(tie)磁(ci)特(te)性(xing)(xing)的(de)一些材料(liao)中(zhong)，所有(you)電(dian)子(zi)(zi)的(de)旋(xuan)轉方(fang)向都(dou)是一致的(de)。

2019年(nian)，美國加州標準材料與能源科學(xue)研(yan)究所的戴維·戈(ge)登和他(ta)的同事，通(tong)過操縱“魔角”石墨烯的電(dian)子帶，首(shou)次(ci)觀察到了石墨烯的鐵磁性能。可控鐵磁性可通(tong)過開關控制，在(zai)一(yi)種叫做“自(zi)旋電(dian)子學(xue)”的電(dian)子技術中很有用(yong)，研(yan)究人員可利用(yong)電(dian)子自(zi)旋來給信息編(bian)碼，而不是電(dian)流脈沖。

新的準粒子

對“魔角(jiao)”石墨(mo)烯(xi)的研(yan)究(jiu)還是發現新(xin)的奇特(te)準(zhun)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)的沃土，包括(kuo)那些攜帶分數(shu)(shu)(shu)電(dian)荷(he)的準(zhun)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)。電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)電(dian)荷(he)是一種(zhong)基本單位，沒有比它(ta)電(dian)荷(he)更小的自由(you)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)了。但在一種(zhong)被稱為“分數(shu)(shu)(shu)量子(zi)(zi)(zi)(zi)霍爾效應”的奇特(te)現象中(zhong)，電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)表現得(de)好像帶有分數(shu)(shu)(shu)電(dian)荷(he)。分數(shu)(shu)(shu)電(dian)荷(he)準(zhun)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)的電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)通常(chang)呈(cheng)分離(li)態，在“魔角(jiao)”石墨(mo)烯(xi)中(zhong)，電(dian)子(zi)(zi)(zi)(zi)按準(zhun)粒子(zi)(zi)(zi)(zi)晶格排列(lie)，被稱為“分數(shu)(shu)(shu)陳絕緣子(zi)(zi)(zi)(zi)”。

科學家研究(jiu)分數準粒(li)子，不僅是(shi)(shi)出于科學探(tan)索的(de)好奇心(xin)，也出于實際應用的(de)需(xu)要。分數準粒(li)子與“任意(yi)子”有著驚(jing)人的(de)相似之處(chu)，而“任意(yi)子”是(shi)(shi)一種假想準粒(li)子，是(shi)(shi)量子計算迫切(qie)需(xu)要的(de)。

在粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)物理學標準模型中，基本(ben)粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)可歸為兩(liang)大類：一類是(shi)費米(mi)(mi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，比如(ru)(ru)電子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)；另一類是(shi)玻(bo)色(se)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，比如(ru)(ru)光(guang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)。準粒(li)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)通常也遵循這樣的(de)二分(fen)法。比如(ru)(ru)，庫珀對是(shi)玻(bo)色(se)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)，但任意(yi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)如(ru)(ru)果存在的(de)話，就是(shi)介于玻(bo)色(se)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)和費米(mi)(mi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)之間(jian)的(de)某種東西。有(you)人提出，將特(te)(te)定類型的(de)任意(yi)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)當作量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)比特(te)(te)，可避(bi)免導致計(ji)算(suan)失誤(wu)的(de)量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)比特(te)(te)狀態(tai)翻(fan)轉或隨(sui)機化，這類錯誤(wu)正是(shi)阻礙目前量(liang)子(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)計(ji)算(suan)機發展的(de)一個“絆腳石(shi)”。

奇異量子效應

有關(guan)石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯超(chao)(chao)薄材料奇異量子(zi)(zi)(zi)效應的(de)(de)新發現不斷給人們帶來驚喜。2021年3月，美國哈佛(fo)大(da)(da)學(xue)(xue)的(de)(de)阿希文·維什瓦納斯和他的(de)(de)同(tong)事提出了(le)扭曲石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯具有超(chao)(chao)導(dao)(dao)(dao)性(xing)的(de)(de)理論，該理論基于一(yi)種被稱為“斯格明子(zi)(zi)(zi)”的(de)(de)準粒子(zi)(zi)(zi)。2021年12月，美國普林斯頓大(da)(da)學(xue)(xue)的(de)(de)研究(jiu)人員(yuan)發布了(le)與這種斯格明子(zi)(zi)(zi)準粒子(zi)(zi)(zi)有關(guan)的(de)(de)報告。2022年年初，赫雷(lei)羅在(zai)(zai)三層石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯中(zhong)發現了(le)超(chao)(chao)導(dao)(dao)(dao)性(xing)，哈佛(fo)大(da)(da)學(xue)(xue)菲利普·金姆(mu)領導(dao)(dao)(dao)的(de)(de)一(yi)個研究(jiu)團(tuan)隊(dui)也獨(du)立(li)得出了(le)相同(tong)結果。之(zhi)后，赫雷(lei)羅的(de)(de)研究(jiu)團(tuan)隊(dui)證實(shi)，四層甚至五層石(shi)(shi)墨(mo)(mo)烯中(zhong)也存在(zai)(zai)超(chao)(chao)導(dao)(dao)(dao)性(xing)。

▲耐高溫(wen)實驗(yan)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(cai)料，石(shi)墨烯(xi)是絕佳(jia)的負極材(cai)料，被(bei)認為是可以替代(dai)硅的芯片材(cai)料。另外，石(shi)墨烯(xi)在柔性屏幕、可穿戴(dai)設(she)備、太陽能充電等(deng)領(ling)域的應用也有待挖掘。

石(shi)墨(mo)烯(xi)在(zai)可(ke)穿戴設備領域具(ju)有(you)一定應用空間。例如，愛爾蘭科學家(jia)正在(zai)開(kai)發基于石(shi)墨(mo)烯(xi)的(de)靈活可(ke)穿戴傳感(gan)器(qi)，并發現該傳感(gan)器(qi)能夠檢測到用戶最細微的(de)動作，包括跟蹤呼吸和脈搏。另(ling)外(wai)，該傳感(gan)器(qi)還(huan)能實現自供電。

散熱材料領域

金屬(shu)納米石墨烯導熱塑料如(ru)應用(yong)(yong)在LED燈具等產品(pin)的(de)(de)散(san)熱上，其系統(tong)成本至少可降低30%。石墨烯所具有(you)的(de)(de)快速導熱與(yu)散(san)熱特性，使得(de)石墨烯成為極佳的(de)(de)散(san)熱材料，可用(yong)(yong)于智能手機、平板電腦(nao)、大功(gong)率節能LED照明、衛星電路等。

汽車領域

石墨烯潤(run)(run)滑油(you)有(you)(you)(you)自修復性(xing)能，能形成潤(run)(run)滑保(bao)護膜(mo)，還(huan)具有(you)(you)(you)抗磨性(xing)能和優異(yi)的(de)(de)成膜(mo)性(xing)能。它所獨(du)有(you)(you)(you)的(de)(de)分(fen)水性(xing)能，可有(you)(you)(you)效(xiao)防止乳(ru)化。此外，它還(huan)具有(you)(you)(you)很好的(de)(de)抗氧散熱(re)性(xing)，可有(you)(you)(you)效(xiao)延(yan)長機油(you)使用周期(qi)。

石墨(mo)烯(xi)還可(ke)應用(yong)于動(dong)力電(dian)(dian)池(chi)負極(ji)復合材料、鋰電(dian)(dian)池(chi)正極(ji)導電(dian)(dian)劑和功能(neng)涂層鋁箔中，可(ke)極(ji)大(da)減輕電(dian)(dian)池(chi)重量(liang)從而降低整車(che)質量(liang)、延(yan)長電(dian)(dian)池(chi)使用(yong)壽命，大(da)大(da)提高電(dian)(dian)動(dong)汽車(che)續航(hang)里程和充(chong)電(dian)(dian)速度。將石墨(mo)烯(xi)應用(yong)到熱(re)成像設備的(de)芯片(pian)中，將可(ke)能(neng)使未來汽車(che)有夜視功能(neng)。

生物醫學領域

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。在基因組測序技術領域，最近成功開發出來的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鏈的旋轉和位置結構。該感測器利用石墨烯的電學性質，成功實現檢測DNA序列的微觀功能。
來自文匯報。