自2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)以來，石墨烯近年來成為二維材料的“流量明星”。今年前三個(gè)月，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》《科學(xué)》雜志已發(fā)表三篇關(guān)于石墨烯的報(bào)道。這些研究或?yàn)樵O(shè)計(jì)石墨烯基超導(dǎo)體奠定基礎(chǔ)，或?yàn)樘剿魇┫到y(tǒng)中的流體動(dòng)力學(xué)開辟新路。

一直以來，石墨烯以應(yīng)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(guó)洛杉磯會(huì)議中心舉行的美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)上，美國(guó)麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家巴勃羅·賈里略·赫雷羅發(fā)布了一項(xiàng)重大成果。

此前，赫雷羅和他的同事一直在進(jìn)行石墨烯的實(shí)驗(yàn)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(gè)原子厚度的碳薄片材料。然而，當(dāng)赫雷羅將兩個(gè)石墨烯薄片堆疊在一起，以一薄片相對(duì)于另一薄片旋轉(zhuǎn)，形成某個(gè)神奇“魔角”時(shí)，一種神奇的效應(yīng)產(chǎn)生了。

就是這個(gè)在石墨烯錯(cuò)位層中的意外發(fā)現(xiàn)，為科學(xué)家研究二維材料奇異物理學(xué)開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。

“扭一扭”創(chuàng)造神奇材料特性

在那次美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)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(gè)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(shí)現(xiàn)了能帶半滿填充狀態(tài)下的絕緣體，繼而實(shí)現(xiàn)1.7K（開爾文）溫度下的超導(dǎo)電性。

神奇“魔角”或讓石墨烯成為電流幾乎不流動(dòng)的絕緣體，或成為超導(dǎo)體。這是一個(gè)具有重要意義的驚人發(fā)現(xiàn)，因?yàn)閺牧孔佑?jì)算到核聚變等多個(gè)前沿技術(shù)領(lǐng)域中，超導(dǎo)體都有廣泛的應(yīng)用前景。

在這次年會(huì)之后，研究人員通過石墨烯疊層扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生“魔角”效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了許多奇異的量子效應(yīng)，例如顯示磁渦旋特性的“準(zhǔn)粒子”。美國(guó)哈佛大學(xué)的阿米爾·亞科比認(rèn)為，這些奇異特性令人興奮，蘊(yùn)含著巨大的應(yīng)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(huì)產(chǎn)生類似效應(yīng)。在探索石墨烯神奇特性的發(fā)現(xiàn)之旅中，科學(xué)家將深入研究隱藏在二維材料中不可思議的全新物理學(xué)。

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(duì)材料特性所產(chǎn)生的作用，開辟了新的途徑。

材料是否導(dǎo)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(dòng)，形成一個(gè)互相重疊的“電子帶”。在導(dǎo)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(dòng)空間，一旦施加電壓，就可形成電流在電極之間流動(dòng)。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(dòng)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(yùn)行電子器件所需要的優(yōu)良特性。

事實(shí)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(dòng)，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(duì)于另一層以某種角度扭曲，就可以改變電子的移動(dòng)方向。電子在兩個(gè)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(yīng)”。

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(shí)也會(huì)對(duì)電子在兩層石墨烯之間的自由移動(dòng)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(dǎo)電子的速度，從而改變電子行為。

“如果擁有大量動(dòng)能，如果電子移動(dòng)速度極快，它們幾乎沒有時(shí)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(dòng)速度放緩，情況就不一樣了。雙層石墨烯薄片電子之間強(qiáng)大的相互作用意味著電子的相互運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dǎo)體為例，傳統(tǒng)超導(dǎo)體中的電子互動(dòng)導(dǎo)致它們組合成“庫(kù)珀對(duì)”。量子力學(xué)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(kù)珀對(duì)，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(dòng)。事實(shí)上，庫(kù)珀對(duì)是高能準(zhǔn)粒子的一個(gè)范例：許多電子呈聚集態(tài)四處移動(dòng)，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(yuǎn)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(dǎo)體材料中，電子活動(dòng)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(guó)新澤西州羅格斯大學(xué)的伊娃·安德烈伊和她的同事發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一層石墨烯薄片疊在另一石墨烯薄片上時(shí)，樣本中的電子能量水平會(huì)出現(xiàn)一種被稱為“魔角效應(yīng)”的奇特變化，特別是當(dāng)一層相對(duì)于另一層旋轉(zhuǎn)約1°時(shí)，這種效應(yīng)尤為明顯。

其他一些研究團(tuán)隊(duì)也報(bào)告稱發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象，理論物理學(xué)家對(duì)此很感興趣，他們想知道，為什么會(huì)這樣，究竟發(fā)生了什么。

美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的艾倫·麥克唐納和同事對(duì)雙層石墨烯的電子屬性研究后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩層薄片處于某個(gè)旋轉(zhuǎn)角度時(shí)，電子的移動(dòng)速度降為零。“電子活動(dòng)完全停止了。”麥克唐納說，“這對(duì)我們來說是個(gè)完全意想不到的驚喜。”

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(duì)旋轉(zhuǎn)角度的方向進(jìn)行極其精細(xì)的控制。赫雷羅認(rèn)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(tuán)隊(duì)在扭曲雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)，電子帶的動(dòng)能很小，正如麥克唐納等人對(duì)電子低速移動(dòng)的預(yù)測(cè)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(dǎo)電態(tài)，他們認(rèn)為這種狀態(tài)可能存在于強(qiáng)相關(guān)電子中。后來，赫雷羅團(tuán)隊(duì)對(duì)這種電子行為進(jìn)行觀察后，發(fā)現(xiàn)了更有趣的現(xiàn)象。他們發(fā)現(xiàn)，對(duì)石墨烯施加電壓進(jìn)行微調(diào)，改變攜帶電流的電子數(shù)量，就可以產(chǎn)生超導(dǎo)體。與所有的超導(dǎo)體材料一樣，這種情況只在低于1.7K的極低溫度下才會(huì)出現(xiàn)。

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

產(chǎn)生磁場(chǎng)的方法之一是讓電流繞線圈流動(dòng)。對(duì)超導(dǎo)線圈加大電流強(qiáng)度可產(chǎn)生更強(qiáng)大的磁場(chǎng)。但是超導(dǎo)導(dǎo)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(duì)“魔角”石墨烯的超導(dǎo)性能如此感興趣，它可能為人們最終理解某些奇特超導(dǎo)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(duì)較高（135k，相當(dāng)于-138℃）的溫度條件下產(chǎn)生超導(dǎo)性。40年前，這類超導(dǎo)體首次被報(bào)道后，其奇特的超導(dǎo)行為一直困擾著研究人員。

▲95后中國(guó)學(xué)者曹原在“魔角”石墨烯領(lǐng)域不斷獲得原創(chuàng)性突破，被譽(yù)為“石墨烯駕馭者”。 圖/nature.com

“對(duì)‘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(dǎo)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(rèn)為，這一研究對(duì)我們會(huì)有所幫助，但現(xiàn)在就下結(jié)論還為時(shí)過早。

摩爾效應(yīng)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(gè)六方氮化硼（hBN）薄片。之所以用它，是因?yàn)樗哂信c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(dòng)調(diào)整hBN薄片的方向，相對(duì)于第一層略微旋轉(zhuǎn)，最后再將測(cè)量導(dǎo)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(huì)隨著扭角角度的微小變化而變化。”赫雷羅說，這些系統(tǒng)可能并不穩(wěn)定，“有很多張力和扭曲，原子會(huì)四處移動(dòng)，爭(zhēng)相占據(jù)最合適的位置。”

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(yīng)圖案，圖案以每8納米的間隔重復(fù)出現(xiàn)。

TMD雙層材料不依賴于“魔角”，對(duì)扭轉(zhuǎn)角度的微小變化不敏感，實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性要高得多。美國(guó)康奈爾大學(xué)的研究人員與麥克唐納等人合作，證明了一個(gè)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(xué)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(dòng)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(dǎo)體（特別是銅氧化物）和有序磁性的常用模型。盡管它的簡(jiǎn)單性令人沉醉，但在數(shù)學(xué)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(rèn)為，這些能夠?qū)崿F(xiàn)摩爾效應(yīng)的材料是哈伯德模型的完美映射。實(shí)驗(yàn)證明，改變施加在TMD雙層材料樣本上的電壓，模型可以預(yù)測(cè)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(huì)隨之改變，不需要通過復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，通過實(shí)驗(yàn)也可得出模型預(yù)測(cè)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(dǎo)性理解的研究進(jìn)展及預(yù)期，他表達(dá)了謹(jǐn)慎樂觀的態(tài)度：“這些進(jìn)展對(duì)于我們理解高溫超導(dǎo)性具有重要意義。”

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(dǎo)性就是一個(gè)完全出乎意料的驚喜。盡管在之后幾年里取得了持續(xù)進(jìn)展，但赫雷羅認(rèn)為，對(duì)于數(shù)百個(gè)有可能構(gòu)建成功的摩爾系統(tǒng)中，科學(xué)家的認(rèn)識(shí)還只限于表面，“這些都是非常復(fù)雜的系統(tǒng)，它們具有各自不同的組成部分、幾何形狀及復(fù)雜程度”。

科學(xué)家們?cè)谶@一未知領(lǐng)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(yùn)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(duì)它的研究欲罷不能。未來，還將有無限可能的新發(fā)現(xiàn)，蘊(yùn)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(guó)加州標(biāo)準(zhǔn)材料與能源科學(xué)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(xué)”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(zhǔn)粒子

對(duì)“魔角”石墨烯的研究還是發(fā)現(xiàn)新的奇特準(zhǔn)粒子的沃土，包括那些攜帶分?jǐn)?shù)電荷的準(zhǔn)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?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)”的奇特現(xiàn)象中，電子表現(xiàn)得好像帶有分?jǐn)?shù)電荷。分?jǐn)?shù)電荷準(zhǔn)粒子的電子通常呈分離態(tài)，在“魔角”石墨烯中，電子按準(zhǔn)粒子晶格排列，被稱為“分?jǐn)?shù)陳絕緣子”。

科學(xué)家研究分?jǐn)?shù)準(zhǔn)粒子，不僅是出于科學(xué)探索的好奇心，也出于實(shí)際應(yīng)用的需要。分?jǐn)?shù)準(zhǔn)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(zhǔn)粒子，是量子計(jì)算迫切需要的。

在粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中，基本粒子可歸為兩大類：一類是費(fèi)米子，比如電子；另一類是玻色子，比如光子。準(zhǔn)粒子通常也遵循這樣的二分法。比如，庫(kù)珀對(duì)是玻色子，但任意子如果存在的話，就是介于玻色子和費(fèi)米子之間的某種東西。有人提出，將特定類型的任意子當(dāng)作量子比特，可避免導(dǎo)致計(jì)算失誤的量子比特狀態(tài)翻轉(zhuǎn)或隨機(jī)化，這類錯(cuò)誤正是阻礙目前量子計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)“絆腳石”。

奇異量子效應(yīng)

有關(guān)石墨烯超薄材料奇異量子效應(yīng)的新發(fā)現(xiàn)不斷給人們帶來驚喜。2021年3月，美國(guó)哈佛大學(xué)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(dǎo)性的理論，該理論基于一種被稱為“斯格明子”的準(zhǔn)粒子。2021年12月，美國(guó)普林斯頓大學(xué)的研究人員發(fā)布了與這種斯格明子準(zhǔn)粒子有關(guān)的報(bào)告。2022年年初，赫雷羅在三層石墨烯中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)性，哈佛大學(xué)菲利普·金姆領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)也獨(dú)立得出了相同結(jié)果。之后，赫雷羅的研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)，四層甚至五層石墨烯中也存在超導(dǎo)性。

▲耐高溫實(shí)驗(yàn)中的石墨烯材料。

哪些地方能用上石墨烯

電子材料領(lǐng)域

作為電極材料，石墨烯是絕佳的負(fù)極材料，被認(rèn)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(shè)備、太陽(yáng)能充電等領(lǐng)域的應(yīng)用也有待挖掘。

石墨烯在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域具有一定應(yīng)用空間。例如，愛爾蘭科學(xué)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(cè)到用戶最細(xì)微的動(dòng)作，包括跟蹤呼吸和脈搏。另外，該傳感器還能實(shí)現(xiàn)自供電。

散熱材料領(lǐng)域

金屬納米石墨烯導(dǎo)熱塑料如應(yīng)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(dǎo)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(jī)、平板電腦、大功率節(jié)能LED照明、衛(wèi)星電路等。

汽車領(lǐng)域

石墨烯潤(rùn)滑油有自修復(fù)性能，能形成潤(rùn)滑保護(hù)膜，還具有抗磨性能和優(yōu)異的成膜性能。它所獨(dú)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(zhǎng)機(jī)油使用周期。

石墨烯還可應(yīng)用于動(dòng)力電池負(fù)極復(fù)合材料、鋰電池正極導(dǎo)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(zhǎng)電池使用壽命，大大提高電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程和充電速度。將石墨烯應(yīng)用到熱成像設(shè)備的芯片中，將可能使未來汽車有夜視功能。

生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

石墨烯具有突出的力學(xué)性能和生物相容性，將其作為增強(qiáng)填料可顯著提高生物材料的力學(xué)性能。在基因組測(cè)序技術(shù)領(lǐng)域，最近成功開發(fā)出來的DNA感測(cè)器，是一種以石墨烯為基礎(chǔ)的場(chǎng)效應(yīng)類晶體管設(shè)備，能探測(cè)DNA鏈的旋轉(zhuǎn)和位置結(jié)構(gòu)。該感測(cè)器利用石墨烯的電學(xué)性質(zhì)，成功實(shí)現(xiàn)檢測(cè)DNA序列的微觀功能。
來自文匯報(bào)。