仅仅通过扭转石墨烯薄片，即可获得新型的超导性，这让物理学家们欣喜若狂，
而它的发现者曾差点不堪重负。
将两片石墨烯精确旋转至1.1度非常困难，但这种“魔角”会产生非凡的效果
帕布洛·贾里洛﹣赫雷罗（Pablo Jarillo-Herrero）把他充沛的精力用在晨跑上，他一边跑一边躲避受惊的行人，渐渐地消失在远方。如果不是穿着便服外套、休闲裤和正装鞋，而且局限在麻省理工学院校园内纵横交错的长廊中，他无疑会跑得更快。但他的决心弥补了运动装备和跑道的不足，因为他知道，座无虚席的礼堂正等着他登上领奖台。
贾里洛﹣赫雷罗从来就不是一个懒散的人，但自从他于2018年3月宣布他在麻省理工学院的实验室发现扭转双层石墨烯（一层一个原子厚的碳晶体堆叠在另一层上，然后旋转，使两层稍微倾斜）的超导性以来，他的活动较之以前增加了好几倍。
突然需要站在一个热门领域的前台，这一切让贾里洛-赫雷罗疲于应对，而这个领域已经有了自己的名称——转角电子学。他说：“现在可能有超过30个团队已着手进行研究，三年之后这一数字将达到100个。实际上，该领域正处于爆发状态。”请求他分享技术的邀请纷至沓来，他的演讲日程增加了很多，但邀请的数量似乎仍然有增无减，就连他的学生也不得不拒绝一些演讲邀请。在2019年3月举行的美国物理学会年会上，他的演讲会场座无虚席，连外面都站满了人，他们希望捕捉到哪怕是演讲的只言片语。
自2004年发现可以用一片透明胶带将石墨烯从石墨上剥离出来以来，这一发现成了固态物理学领域的最大惊喜。它引发了凝聚态物理学家的狂热竞赛，他们竞相探索、解释并扩充麻省理工学院的成果，这些成果后来在多个实验室得到了复制。
对超导性的观察为物理学家创造了一个意想不到的游乐场。其实际目标显而易见：找到一条实现更高温度超导的途径，研发出可能彻底改变电子技术的新型设备，甚至可能加快量子计算机问世的速度。但更为微妙、也更为重要的是，这一发现为科学家们提供了一个相对简单的探索奇异量子效应的平台。“在这个魔角平台上可以探索到无数的新奇物理。”哥伦比亚大学物理学家科里·迪恩（Cory Dean）说，他是第一批复制这项研究成果的人之一。
贾里洛-赫雷罗的同事们猜测，他将凭借扭转双层石墨烯方面的工作获得诺贝尔奖
为了尽快展现出这一惊人的发现，贾里洛-赫雷罗的团队必须在双层石墨烯中确定一个精确地且令人难以捉摸的扭转。长期以来，人们一直觉得扭转双层石墨烯中的这个“魔角”有趣，但没有人曾想到它会如此有趣。新加坡国立大学物理学家安东尼奥·卡斯特罗·内托（Antonio Castro Neto）表示：“根据我们的现有知识来预测超导性是一件很疯狂的事，但科学的进步不是发生在我们理解某些事情的时候，而是在实验中发生完全出乎意料的事情的时候。”
难以置信
2007年，内托提出了一个设想：将两张未对齐的石墨烯片堆叠在一起可能会产生一些新的特性。他后来又提出石墨烯可能会在某些特定条件下变成超导体的假设。“我从来没有将这两个想法联系在一起。”他说道。
美国和欧洲的几个研究团队迅速行动起来，开始研究扭转双层石墨烯的特性。2011年，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的理论物理学家阿兰·麦克唐纳（Allan MacDonald）鼓励同事们探索双层石墨烯处于特定“魔角”时的有趣特性。像其他理论物理学家一样，麦克唐纳关注的重点是这两张石墨烯片如何通过错位堆叠显现与角度有关的摩尔纹图案。但是，当其他人还在为“确定一个电子将如何受到摩尔细胞中成千上万个原子的影响”而绞尽脑汁时，麦克唐纳想到了一个简化的概念。
他认为摩尔细胞本身具有一种性质，这种性质严格地随旋转角度而变化，或多或少地独立于构成它的原子。这一性质至关重要：小隔室中的自由电子必须获得或释放能量，才能在两张石墨烯片之间形成通道，这种能量差通常足以成为层间隧道穿越的屏障。但是麦克唐纳计算出，当旋转角度从一个较大的角度缩小时，隧穿能量将会缩小，最终在达到1.1度时完全消失。
当这种隧穿能量变小时，石墨烯片中的电子就会减速，彼此之间紧密相连。麦克唐纳并不知道接下来会发生什么，他推测，或许高导电性石墨烯片会变成绝缘体，或者这种扭转会产生磁性。麦克唐纳表示：“坦率地说，我没有办法确切说明在这种紧密相关的系统中会发生什么。当然，超导是你最希望看到的东西，但我没有勇气对此进行预测。”
麦克唐纳的想法基本上都落空了。当他将论文寄给期刊寻求发表时，评审人员认为他的简化假设无法取信，而这篇论文在发表于《美国国家科学院院刊》之前曾被几个期刊拒之门外。然而，即使在该论文发表之后，也几乎没有实验者对其进行研究。迪恩说：“我不确定我们会从中得到什么，感觉就像猜想一样，所以我们把它放在一边。”
哈佛大学物理学家、扭转双层石墨烯实验领域的领头人菲利普·金（Philip Kim）寻找这个魔角的工作同样进展缓慢。金说，事实上，他和该领域的其他许多人正准备彻底放弃扭转双层石墨烯，他们觉得其他新材料可能会带来更令人兴奋的机遇。
但贾里洛﹣赫雷罗没有放弃。在2011年麦克唐纳发布预测之前，贾里洛﹣赫雷罗已经对扭转双层石墨烯进行了一年的研究。即使有位同事提醒他这么做可能在浪费时间，他仍然相信这其中必有乾坤。
他知道，所面临的挑战在于需获得一对超洁净且高度均匀的石墨烯片，克服材料本身保持天然角度与保持1.1度角的对立。石墨烯片具有相互对齐的强烈倾向，并且在被迫进入偏移位置时，这种超柔性石墨烯片容易变形。
贾里洛﹣赫雷罗的团队开始精心打磨制造过程的每道工序：从制作和清洁石墨烯片，到以正确角度排列，最后将它们堆叠到位。为了防止污染，测量必须在接近真空的条件下进行；而成品则必须冷却至绝对零度左右，才能很好地观察到相关的电子特性。在温度较高的情况下，电子运动的能量太大，没有机会产生强烈的相互作用。
该实验室制造了数十种扭转双层石墨烯片的“装置”（研究人员称之为装置），但都没有显示出明显的电子相关性。然后，在2014年，他的一个学生给他带来了一个装置，当暴露在电场中时，该装置显示出明显的绝缘性能。贾里洛﹣赫雷罗只是将该装置放在一边，并继续制造新装置。
2017年夏天，21岁的博士生曹原已经是麻省理工学院的三年级研究生。他为贾里洛﹣赫雷罗带来了一种新装置，和以前一样，电场将该装置变成了绝缘体。但这一次，他们试着将磁场调高一些，它突然又变成了超导体。
在接下来的六个月中，实验室复制出了这些结果，并最终确定了测量结果。这项工作是在严格保密的情况下完成的，打破了扭转双层石墨烯领域通常高度开放和协作的文化。贾里洛﹣赫雷罗说：“我们一直在分享有关该领域的想法和数据，但我们也很有竞争力。”
2018年1月，他写了一篇论文，然后打电话给《自然》杂志的一位编辑，解释他的研究工作，并要求《自然》杂志同意对他的论文接受为期一周的评审。此前，一位朋友曾告诉他，CRISPR的一篇开创性论文就受到了这种不同寻常的待遇。《自然》答应了这一条件，于是这篇论文迅速通过了审查。
在正式发表前，贾里洛﹣赫雷罗向麦克唐纳发送了一份电子邮件，麦克唐纳甚至不知道贾里洛﹣赫雷罗一直在坚持不懈地探索魔角。“这简直难以置信，”麦克唐纳说：“我的意思是说，我认为这种情况超乎想象。”2018年3月，大约就在《自然》发表该论文时，迪恩在一次会议上与物理学界的其他人一起得知了这一点。“结果证明我大错特错。”迪恩说道。
完美的游乐场
物理学家对魔角扭转双层石墨烯感到兴奋，并不是因为它可能是一种实用的超导体，而是因为他们确信它能揭示超导本身的神秘特性。这种材料的特性似乎像一种铜酸盐（一种奇特的陶瓷），可在-133.15摄氏度的温度下或者在绝对零度与室温之间一半的温度下产生超导性。此外，西班牙巴塞罗那光子科学研究所（ICFO）的物理学家迪米特里·叶费托夫（Dmitri Efetov）指出，扭转双层石墨烯从导电层到绝缘层再到超导层的突然跃迁，仅仅是外部电场的微调，这表明自由电子正在放缓到实际的停滞状态。“当它们停止时，电子之间的相互作用会更加强烈，然后它们配对组成超流体。”这种类似流体的电子态被认为是所有超导体的核心特征。
对铜酸盐的研究已经有30年的历史，但对这一现象的解释相对较少，这主要是因为铜酸盐是一种复杂的多元素晶体。叶费托夫介绍，人们对这种材料知之甚少。他还指出，只有在要求严格的制造过程中精确掺杂杂质以增加自由电子时，它们才会产生超导性。此外，扭转双层石墨烯只不过是一种碳，要在其中掺杂更多的电子，只需施加一个容易变化的电场。贾里洛﹣赫雷罗说：“我们不需要生产不同的晶体，而只需转动电压旋钮，或施加更大的压力，或改变旋转角度。”他指出，一个学生可以在一小时内尝试改变掺杂物的使用情况，而且几乎不需要任何成本，而在酮酸盐上尝试一种稍有不同的掺杂方案可能需要数月的时间并花费数万美元。
麦克唐纳说，同样独特的是，在魔角扭转双层石墨烯中似乎有少量电子正在发挥重要作用——每10万个碳原子中大约就有一个。“在如此低的电子密度下观察到超导现象，这种情况前所未有，它比我们看到的其他任何东西都至少低一个数量级。”科学预印本服务平台arxiv.org上发布了100多篇论文，它们提供的一些理论可以解释在魔角扭转双层石墨烯中可能发生的事情。普林斯顿大学理论物理学家安德烈·伯内维格（Andrei Bernevig）称其为探索相关物理学的“完美游乐场”。
贾里洛-赫雷罗实验室：扭转双层石墨烯装置由堆叠的石墨烯片（图片中心的黑暗物质）构成，这些石墨烯片与各种电极连接。通过改变电极中的电压，研究人员可以控制双层石墨烯的电学性质
物理学家似乎急于对其加以利用。位于巴黎近郊的纳米科学和纳米技术中心物理学家雷贝卡·里贝罗﹣帕劳（Rebeca Ribeiro-Palau）指出，除了能够通过按下按钮在极端的电导率之间切换之外，已经有充分的证据表明，扭转双层石墨烯的磁性、热学和光学性质可以像电子一样容易被诱导出奇怪的特性。她说:“原则上你可以启动和关闭任何物质特性。”例如，正如麦克唐纳所言，扭转双层石墨烯中的一些绝缘状态似乎伴随着磁性，而磁性并非像通常那样来自电子的量子自旋状态，而是完全来自它们的轨道角动量——一种理论上存在但从未被观测到的磁性类型。
即将到来的转角电子学时代
鉴于贾里洛﹣赫雷罗团队已经证明魔角的确存在，因此物理学家正试图将转角电子学方法应用于其他石墨烯装置。金领导的研究小组一直在对两个两层石墨烯进行扭转实验，并且已经发现了超导性和相关物理性质存在的证据。还有研究人员正在堆叠三层或更多层石墨烯，希望在其他魔角或者将它们完全重叠时获得超导性。伯内维格认为，随着堆叠的石墨烯层越来越高，物理学家可能能够使超导温度随之升高。其他魔角同样可能发挥作用。一些研究小组正在把这些石墨烯片更紧密地挤压在一起，以增大魔角，使之更容易实现。而麦克唐纳认为，尽管更难以实现，但更丰富的物理性质可能会出现在更小的魔角上。
与此同时，其他材料正在进入转角电子学领域。半导体和过渡金属可以以扭转层沉积，这被认为是相关物理性质的良好备选材料——可能比扭转双层石墨烯更理想。叶费托夫表示：“人们正在考虑用这种方法来处理数百种材料。潘多拉魔盒已经打开了。”
迪恩和叶费托夫属于坚持经典转角电子学的人，他们希望通过逐渐消除制作过程中产生的褶皱来增强魔角扭转双层石墨烯装置的效果。由于在两层石墨烯之间没有化学粘接，而且由于轻微偏移的石墨烯层自身仍在试图调整对齐，这导致它们保持魔角扭转时会产生应力，出现亚微观山丘、山谷和弯曲。这些局部变形意味着装置的有些区域可能在扭转角的神奇范围之内，而有些区域则在该范围之外。“我曾试图将石墨烯层的边缘粘接在一起，但仍然存在局部变化。”叶费托夫抱怨道，“现在，我想找出一种方法，使石墨烯层堆叠在一起时的初始应变最小化。”他最近报告了在这方面取得的进展，实验结果已初见成效，新的超导态的温度大约为-270.15摄氏度。
在扭转双层石墨烯领域，贾里洛﹣赫雷罗以惊人的方式遥遥领先，他没有坐等别人赶上来。通过长期的反复试验，他将超导样品的产量提高了近50%。基于这一点，他的实验室的重点工作仍然是希望从扭转双层石墨烯中诱导出更多奇异的特性。大多数其他研究小组的收益率只有这个数字的1/10，甚至更低。制造和测试设备需要大约两周的时间，这成为巨大的生产力优势。他说：“我们认为，我们只是刚刚开始看到这些魔角石墨烯系统呈现出来的所有迷人状态，可供探索的相位空间依然广阔。”同时，他也让自己的实验室通过研究其他材料来探索转角电子学。
在这场竞赛中，研发出更容易生产、性能更佳、温度更高的超导体需付出巨大的代价。除了人们经常想到的悬浮列车外，减少电力传输过程中的能源损失还将提振全球经济，并大幅减少有害物质排放。量子位的制造可能会突然变得实用，或许还会引领量子计算机的风潮。即使不具有超导性，普通计算机和其他电子设备也能从转角电子学中大幅提升性价比。因为从理论上说，整个复杂的电子电路可以内置于几张纯碳片中，而不需要采用常见的芯片并用高难度材料制成十几层或更多的复杂蚀刻层。“你可以把不同的物质特性整合到彼此相邻的电路中，然后用局部电场改变它们。”迪恩说，“我无法用文字来描述它的意义有多深远。我必须做点什么，也许是动态材料工程？”
无论这种希望最终能否实现，目前扭转双层石墨烯似乎只会让人兴奋。“有些人可能羞于道破，但我不会。”内托说，“如果这个领域继续像现在这样发展下去，有人会因此获得诺贝尔奖。”这样的言论可能还为时尚早，但即使没有这番言论，贾里洛﹣赫雷罗也仍然承受着巨大的压力。“我的实验室工作让人们产生了不切实际的期望，每一个人似乎都认为我们每年都会取得新的突破。”他当然决心做出更多重大的贡献，但他预测，无论下一个令人振奋的发现是什么，它都可能来自不同的实验室。“我已经接受了这个事实，我对此很满意，如果在一个领域只有你能够取得进展，那将会无聊透顶。”
资料来源 Quanta Magazine