“魔角”石墨烯如何攪動物理學界

物理學家帕勃羅·哈里羅-埃雷羅 (Pablo Jarillo-Herrero) 感覺自己離成為搖滾明星只有一步之遙。去年三月，當他站起來在加利福尼亞州洛杉磯發表演講時，他看到會議室的每個角落都擠滿了科學家。《美國物理學會》會議的組織者不得不將會議直播到一個巨大的相鄰空間，那裡也聚集了站滿了人的聽眾。“我知道我們取得了一些非常重要的成果，”他說，“但這仍然非常瘋狂。”

成群結隊的物理學家前來聆聽哈里羅-埃雷羅在麻省理工學院（位於劍橋市）的團隊如何在單原子厚的碳層（即石墨烯）中發現了奇異的現象。研究人員早就知道，這種神奇的材料可以以超高速導電。但麻省理工學院的團隊邁出了巨大一步，他們將石墨烯變成了一種超導體：一種允許電流無電阻流動的材料。他們實現這一壯舉的方法是將一層石墨烯疊在另一層石墨烯之上，將其中一層旋轉到一個特殊的角度，即“魔角”，並將整體冷卻到絕對零度以上幾分之一度。這種扭曲徹底改變了雙層材料的性質——首先將其變成絕緣體，然後在施加更強的電場後，變成超導體。

此前，石墨烯是透過與已知是超導體的材料結合，或透過與其他元素進行化學拼接而被誘導產生這種特性的。這種透過撥動開關就能誘導相同性質的新發現令人矚目。“現在你以某種方式將兩層非超導原子層放在一起，超導性就出現了？我認為這讓所有人都感到驚訝，”俄亥俄州立大學（位於哥倫布市）的物理學家ChunNing Jeanie Lau說道。

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會議上的物理學家們更加興奮，因為石墨烯雙層似乎成為超導體的途徑。有跡象表明，其非凡的特性源於電子之間的強相互作用或“關聯”——這種行為被認為是一些更復雜材料中奇異物質狀態的基礎。其中一些材料，即在相對較高溫度下（儘管仍然遠低於0攝氏度）超導的材料，已經困擾了物理學家30多年。如果簡單石墨烯中的超導性是由相同的機制引起的，那麼這種材料可能成為理解這種現象的羅塞塔石碑。反過來，這可能有助於研究人員設計出在接近室溫下超導的材料，這將徹底改變現代技術的許多領域，包括交通運輸和計算。

“我立刻看到我認識的幾乎每個人都變得非常興奮，”Lau說。但當她驚歎地聽著演講時，其他人卻迫不及待了。安德烈亞·楊（Andrea Young）是加州大學聖巴巴拉分校的凝聚態物理學家，他離開了會場，趕回自己的實驗室。他的團隊是世界上少數幾個已經在探索扭曲石墨烯的團隊之一，他們正在尋找最近預測的奇異行為的跡象。楊掃描了麻省理工學院小組發表在《自然》雜誌上的論文（在演講前兩天發表），並找到了他複製實驗所需的資訊。事實證明這比預期的要困難。但到了八月，在與哥倫比亞大學（位於紐約市）物理學家兼朋友科裡·迪安（Cory Dean）領導的一個小組聯手後，他和他的團隊成功了。“我們自己已經多次重現了它，”哈里羅-埃雷羅說。但他表示，得到第二個小組的確認“非常令人安心”。

儘管楊和迪安的合作是第一個公開其複製結果的，但幕後的活動卻非常瘋狂，Lau說。“自從石墨烯最初被發現以來，我還沒有看到石墨烯領域有如此大的興奮，”她說。另外三個團隊告訴《自然》雜誌，他們已經複製了麻省理工學院的部分或全部發現，儘管有些人對他們的成果秘而不宣，同時他們也在嘗試其他二維材料，並以新的方式調整層，尋找其他強電子相互作用的表現。“每個人都在把他們最喜歡的東西拿出來，和他們另一個最喜歡的東西扭在一起，”楊說。與此同時，試圖解釋這種行為的理論家們已經在arXiv預印本伺服器上釋出了100多篇論文。但Lau表示，要弄清楚高溫超導體中超導性的潛在機制是否與扭曲石墨烯中的機制相同，還需要更多的資訊。“到目前為止，除了這是一個非常有趣的系統之外，”她說，“我認為理論家們在任何事情上都沒有達成一致。”

發現魔角

洛杉磯哈里羅-埃雷羅演講的聽眾既興奮又懷疑。會議代表們取笑他，說上次有人展示如此酷的東西，還是簡·亨德里克·舍恩（Jan Hendrik Schön），他那一連串關於超導性和其他現象的耀眼成果後來被證明是欺詐性的。“他們只是在開玩笑，”哈里羅-埃雷羅說，“但他們說他們需要看到這個結果被重現後才會相信它。”

儘管扭曲石墨烯的超導行為令人驚訝，但發生一些有趣的事情的想法並非如此。當兩層石墨烯以大於幾個角度的角度重疊時，它們通常會獨立表現。但在較小的角度下，兩個晶格的錯位會產生一個“超晶格”，電子可以在層之間移動。理論家們曾預測，在特定的微小扭曲角度（魔角）下，超晶格的底層結構會顯著改變電子的行為，減慢它們的速度，並使它們能夠以改變材料電子性質的方式相互作用（參見“魔角”）。從理論上講，所有型別的層狀二維材料，當扭曲到合適的角度時，都可以形成這樣的超晶格。但沒有人知道材料的性質會發生怎樣的變化，也不知道這種變化會在什麼角度發生。

早在2010年，羅格斯大學新不倫瑞克分校（位於新澤西州）的物理學家伊娃·安德烈（Eva Andrei）和她的同事們就在石墨烯中看到了奇怪行為的跡象，其角度與哈里羅-埃雷羅及其團隊後來觀察到的魔角大致相同，但許多人懷疑該理論是否完全有效。“我不相信它，”哈佛大學（位於馬薩諸塞州劍橋市）的實驗物理學家菲利普·金（Philip Kim）說。“但我承認我完全錯了，”他說。

當楊在三月份回到他的實驗室時，他認為重現麻省理工學院小組的結果似乎是微不足道的，他說。楊的團隊可以實現所需的極低溫度，而且研究人員已經是製備非常乾淨的樣品的專家。但事實證明，要讓石墨烯片以恰到好處的角度（大約1.1度的扭曲）對齊，卻是一項艱苦的工作。

達到這個角度很困難，尤其因為角度會因樣品而異，具體取決於每個樣品的製作方式。“你必須進行一些搜尋，”安德烈說。此外，由於扭曲石墨烯的結構與石墨非常接近，在石墨中，連續的層都以相同的方向排列，因此最輕微的熱量或應變都可能導致各層對齊。“它不想停留在你放置它的位置，”楊說。

迪安的實驗室也在研究這個問題，他們找到了一個解決方案：當團隊在許多器件中過度扭曲時，至少有一些樣品會在它們旋轉回對齊時穩定在魔角。但要讓這些樣品實現超導，需要能夠達到絕對零度以上幾分之一度的裝置，而他的實驗室缺乏這種裝置。透過與楊的團隊合作，研究人員很快測量了幾個器件，在這些器件中，電阻飆升——絕緣體的特徵——但當他們透過施加電場輸入更多電子時，電阻又降至零，就像在超導體中一樣。

到目前為止，除了哈里羅-埃雷羅的團隊之外，只有另一個團隊公佈了他們的研究結果，但安德烈說，這種情況不會持續太久。“我認識的每個人都在研究這個，”她說。

一些非常規現象

扭曲石墨烯引起強烈興趣的原因之一是，它的行為與非常規超導體非常相似。在許多非常規超導體中，電流在遠高於傳統超導理論通常允許的溫度下無電阻地執行。但這種情況是如何發生的仍然是一個謎：一旦解開這個謎，物理學家們就有可能設計出在接近室溫下導電零電阻的材料。實現這一目標將使電力傳輸效率得到極大的提高，並且透過大幅降低能源成本，使超導體能夠在許多新技術中找到用途。

所有形式的超導性都依賴於電子以允許它們無電阻地移動的方式成對結合。在傳統的超導體中——為磁共振成像 (MRI) 機器中的磁體供電的那種——電子只是間接地成對結合，這是粒子與其原子晶格中的振動相互作用的副產品。電子忽略它們的同伴，但最終以一種有助於它們在絕對零度以上幾度的溫度下無電阻地導航的方式聚集在一起。但在非常規超導體中——其中許多超導體在接近 140 開爾文的溫度下以零電阻導電——電子似乎是透過直接且更強的相互作用成對結合的。

麻省理工學院的實驗顯示了這種非常規超導性的跡象。儘管扭曲雙層石墨烯僅在極低的溫度下才變成超導體，但它確實是以極少的自由移動電子實現的。這表明，與傳統超導體不同，無論是什麼力量將電子聚集在一起，都一定相對較強。超導態與絕緣態的接近性也反映了用陶瓷製成的一組高溫超導體（稱為銅酸鹽）中所見的情況。在這些系統中，零電阻態通常與“莫特”絕緣體相鄰——在莫特絕緣體中，儘管存在自由電子，但由於粒子之間的相互排斥將它們固定在原地，因此沒有電流流動。

如果相同的機制在扭曲雙層石墨烯中起作用，那麼這可能是理論家的福音。銅酸鹽（如釔鋇銅氧化物）的一個問題是，它們是多種元素的混合物，事實證明很難建模。“希望是找到相同的現象學，但在一個更簡單的系統中，理論家可以深入研究並取得一些進展，”安德烈說。

石墨烯也是實驗家的夢想。研究向超導性的轉變意味著測量隨著更多電子被新增到材料中所發生的情況。在銅酸鹽中，這是透過將不同元素的原子插入材料中來完成的——這個過程稱為摻雜——這意味著為圖表上的每個點製作一個全新的樣品。然而，在扭曲石墨烯中，研究人員只需轉動電壓源上的旋鈕即可實現這種切換，安德烈說。“這是一個巨大的好處。”

沒有人知道扭曲石墨烯是否真的像非常規超導體一樣工作，甚至不知道這種行為是否完全是因為魔角理論所描述的條件而產生的。自去年三月以來發布的如潮水般的理論論文涵蓋了每一種可能性。由於扭曲石墨烯中看到的這種相關係統過於複雜，無法完全計算，因此理論家們使用從模型到模型各不相同的近似值。楊說，這使得理論具有足夠的靈活性，物理學家有時可以調整理論以適應新的資料。哈里羅-埃雷羅補充說，很少有理論能充分解釋這些發現，而且許多理論不包括能夠讓實驗家區分不同情景的預測。對於“像我這樣的實驗家來說，它們看起來都同樣合理，”他說。“我在理論領域有點迷失方向。”

到目前為止，有證據表明石墨烯中存在非常規超導性和傳統超導性。哈里羅-埃雷羅說，麻省理工學院小組尚未公佈的資料表明，在非常規超導體中看到的其他現象也存在於這種材料中。例如，他的團隊觀察到，透過稱為邁斯納效應的過程，將超導性從樣品中剝離所需的磁場強度隨方向而變化（在傳統超導體中，磁場強度應該是均勻的）。

謹慎的方法

但楊和迪安小組的結果表明，需要更加謹慎。楊說，他們的樣品比麻省理工學院小組的樣品更均勻，並顯示出一些對比鮮明的結果。特別是，當電子數量減少時，超導性就會出現，但當電子數量增加時，超導性不會出現，這種不對稱性可以說更符合傳統超導體。而且，與銅酸鹽（其絕緣溫度可能高於其超導溫度）相比，在扭曲石墨烯中，這兩種狀態似乎出現在相似的溫度範圍內，他補充道。楊說，進一步的測試，例如檢視當實驗人員限制樣品中的振動但仍然允許電子相互作用時，超導態是否仍然發生，可能有助於澄清情況。安德烈的小組也在原子水平上對材料進行成像，以揭示在作為一個整體研究樣品時可能被沖刷掉的影響。安德烈說，她的小組的初步資料揭示了可能有助於理解潛在物理學的新現象，儘管她目前還不願透露更多資訊。

理解實驗結果——以及設計在二維材料上執行良好的裝置——可能是一個挑戰。楊說，在這個精細的系統中，即使是用於製作電極的材料也會干擾結果。“你必須小心解釋你所看到的東西，因為你不知道什麼是系統的內在特性，什麼是裝置的影響。”楊說，超導性背後的機制很可能最終被證明是傳統的，但即使它無助於解釋高溫超導性，它仍然令人興奮。“這已經是過去十年中該領域最酷的成果之一，”他說。

研究人員表示，無論它是否類似於奇異形式的超導性，該系統都非常引人入勝，因為它是一個罕見的例子，說明微小的物理調整會帶來巨大的變化。“僅僅這一事實就非常驚人和非凡，”迪安說。“是什麼讓這個系統產生了超導性，而這種超導性在偏離這個精確的扭曲角度時就不存在了呢？”

無論超導態中發生什麼，物理學家們都一致認為，如果沒有電子之間的某種相互作用，伴隨而來的絕緣態幾乎不可能解釋。像金屬一樣，石墨烯通常是導電的，其自由電子僅與原子晶格相互作用，而不與彼此相互作用。不知何故，儘管存在這些在傳統絕緣體中不存在的自由電子，但雙層石墨烯可以阻止電流的流動，這表明相互作用正在發揮作用。

這令人興奮，因為電子相互作用是過去幾十年中發現的許多奇異而奇妙的物質狀態的基礎。這些狀態包括量子自旋液體——電子磁場永不排列的奇怪無序狀態——以及分數量子霍爾態，即由拓撲學定義的物質相，這是一種以前未知的統一性質，可能被用於構建極其強大的量子計算機。“理解強關聯絡統是目前凝聚態物理學中許多重大問題，也可能是重大機遇的所在，”楊說。這些狀態中的許多狀態出現在至少在電子看來與魔角石墨烯中出現的條件相似的條件下。法國帕萊索奈米科學與奈米技術中心物理學家、迪安實驗室的前博士後麗貝卡·裡貝羅-帛琉（Rebeca Ribeiro-Palau）表示，這提出了其他有趣的態可能從扭曲雙層材料中出現的可能性。“對我來說，超導態的存在是更令人感興趣的事情的症狀，”她說。

至關重要的是，裡貝羅-帛琉說，石墨烯和其他二維繫統允許比其他強關聯材料更大的實驗控制。研究人員不僅可以平滑地調整電場以改變行為，還可以調整扭曲角度——在哥倫比亞大學時，裡貝羅-帛琉和她的同事們使用原子力顯微鏡的尖端來平滑地旋轉一層相對於另一層。正如楊和迪安的合作所證明的那樣，實驗人員還可以透過施加壓力來微調層之間的距離。將各層擠壓得更近會增加片層中電子之間相互作用的強度，這種增強意味著魔角條件可以在更大的、更穩定的旋轉角度下發生。

進行扭曲

金和他的同事們已經複製了石墨烯的發現，他說。現在他們正在觀察是否也能在更復雜的二維半導體（稱為過渡金屬二硫屬化物）的扭曲層中產生超導性或磁性。在麻省理工學院的結果出現之前，金的團隊是少數幾個已經在探測旋轉一個二維層疊在另一個二維層之上的效應的團隊之一，這是一個新興的研究領域，有時被稱為扭曲電子學。隨著石墨烯中展示的可能性，這個想法現在正在興起。“原則上，你可以將這個概念應用於所有二維材料，並透過扭曲來觀察會發生什麼，”金說。“有可能你會發現一些完全出乎意料的東西。”

與此同時，加州大學伯克利分校的王峰（Feng Wang）表示，他和他的同事們甚至在沒有扭曲的情況下，也在三層堆疊的石墨烯層中看到了超導性跡象。他說，以特定方向堆疊三層薄片可以實現類似於魔角扭曲雙層材料的超晶格幾何結構，併產生類似的強關聯物理學。

物理學家們樂觀地認為，兩個先前獨立的領域——二維材料和強關聯絡統——之間的交叉將帶來令人興奮的結果。“這為我們提供了一個與過去沒有機會交談的整個社群的人們對話的機會，”迪安說。應用物理學家們正在思考如何利用扭曲二維堆疊的異常特性，以超高效的方式儲存和處理資訊。旋轉或擠壓材料也可能成為切換電子器件行為的一種新方法。

但就目前而言，許多研究人員專注於理清基本原理。本月，實驗學家和理論家將聚集在聖巴巴拉的卡弗裡理論物理研究所，參加一個研討會，討論這個新興領域的關鍵問題。哈里羅-埃雷羅希望這次會議將有助於使理論家們達成一致。“目前，他們甚至在基本原理上都無法達成一致。”他補充說，到那時，可能會有更多的實驗家願意公開他們的成果，並公開他們的資料。

儘管物理學家們不知道這項發現最終會有多重要，但楊說，自從麻省理工學院的論文發表以來出現的數十篇理論論文中，有一個重要的資訊：“任何事情都可能從中產生，而且肯定會產生一些東西。”

本文經許可轉載，並於2019年1月2日首次發表。