联合量子研究所的贝利·贝德福德
两个六边形网格分别反映了结合成石墨烯片的碳的结构，当彼此相对旋转时会产生重复的图案
信用:保罗柴金与贝利贝德福德修改 碳不是最闪亮的元素，也不是最活泼的，也不是最稀有的
但它是最通用的
碳是地球上生命的支柱，也是古代生命消亡后产生的化石燃料
碳是将铁变成钢的基本成分，这是从中世纪的剑到摩天大楼和潜艇等技术的基础
结实、轻质的碳纤维被用于汽车、飞机和风车
就连碳本身也具有非凡的适应性:它是钻石、巴克球和石墨(用来制造铅笔芯的材料)中唯一的成分
这最后一种形式，石墨，乍一看是最普通的，但它的薄片包含了大量不寻常的物理现象
2004年后，科学家们开发出一种可靠的方法来生产单个原子厚的石墨片(称为石墨烯)，这种研究开始了
2010年，证明石墨烯量子丰富性的早期实验为两位研究人员赢得了诺贝尔物理学奖
近年来，石墨烯一直在不断发展
研究人员发现，一次堆叠两层或三层石墨烯(分别称为双层石墨烯或三层石墨烯)，并相对于彼此扭曲这些层，为科学家探索开辟了肥沃的新领域
对这些堆叠的石墨烯片的研究就像狂野西部，充满了淘金的诱惑和未知领域的不确定性
JQI和马里兰大学凝聚态理论中心(CMTC)的研究人员，包括JQI·费罗斯·桑卡尔·达斯·萨尔马和杰伊·索等人，正忙于创建理论物理基础，这将是这一新景观的地图
而且有很多东西需要映射；石墨烯中的现象从熟悉的磁性到更奇特的东西，如奇怪的金属性、不同版本的量子霍尔效应和波美拉查克效应——每一种都涉及电子协同产生独特的行为
科学宝藏最有希望的一条脉络是堆叠石墨烯中超导性(无损电流)的出现
“这是一个系统，在这个系统中，理论家们所能想象到的几乎每一个有趣的物质量子相都出现在一个单一的系统中，因为在一个单一的实验中，扭曲力、载流子密度和温度都被调整到一个单一的样本中，”达斯·萨尔马说，他也是CMTC的主任
“听起来像魔法或科学幻想，除了它每天都在世界上至少十个实验室发生
" 石墨烯叠层中丰富多样的电学行为引发了一系列研究
2021年美国物理学会3月会议包括13场会议，讨论石墨烯或扭曲双层的主题，Das Sarma在6月份为研究人员举办了为期一天的虚拟会议，讨论扭曲石墨烯以及受该主题启发的相关研究
堆叠石墨烯的话题广泛出现在科学期刊上，在线arXiv预印本服务器发布了2000多篇关于“双层石墨烯”的文章——自2018年以来已有近1000篇
也许令人惊讶的是，石墨烯丰富的量子研究机会与其物理简单性有关
石墨烯是一种重复的蜂窝状薄片，每个角落都有一个碳原子
碳原子彼此紧密结合，使得图案中的瑕疵不常见
每个碳原子都贡献了一个可以在原子间自由移动的电子，电流非常善于在生成的薄片中流动
此外，石墨烯重量轻，拉伸强度是钢的300多倍，并且非常善于吸收光线
这些特性使得使用起来很方便，也很容易获得
石墨烯纯净、一致的结构是二维固体材料物理理想的绝佳体现
这使得它成为了解量子物理如何在材料中发挥作用的完美场所，而研究人员不必担心大多数材料中出现的额外混乱的应用
然后是各种新的性质，通过层层堆叠石墨烯来解锁
每一层都可以相对于其相邻层的六边形图案旋转(科学家称之为“扭曲角”)或移动
石墨烯的结构和电特性使得改变电子在实验中经历的量子景观变得容易，给研究人员提供了几种定制或调整石墨烯电特性的选择
将这些基本构件组合在一起已经产生了大量不同的结果，而且它们还没有完成实验
“神奇”的繁荣 在石墨烯电子的量子世界中，各层相互叠放的方式很重要
当双层中的相邻层相对于彼此扭曲时，顶层中的一些原子几乎就在它们对应的相邻层的正上方，而在其他地方，原子最终远离(在原子尺度上)另一层中的任何原子
这些差异形成了巨大的、重复的模式，类似于单个薄片中的原子分布，但范围要大得多，如故事顶部的图像和交互式视觉下方所示
角度的每一次改变也改变了形成电子穿过的量子景观的更大图案的尺度
各种重复模式形成的量子环境(或缺乏任何组织)是电子在各种材料中表现不同的主要原因之一；特别是，材料的量子环境决定了电子经历的相互作用
所以石墨烯层的每一个微小扭曲都开启了一个全新的电学可能性世界
“这种扭曲实际上是一种新的调谐旋钮，在发现这些2D材料之前是不存在的，”武凤呈说，他曾作为JQI和CMTC博士后与达斯·萨尔马一起从事石墨烯研究，现在作为中国武汉大学的教授与他合作
“在物理学中，我们没有太多的调谐旋钮
我们有温度、压力、磁场和电场
现在我们有了一个新的调谐旋钮，这是一件大事
这种扭曲的角度也为研究物理提供了新的机会
" 研究人员发现，在一个特殊的小扭转角(大约1
1度)——异想天开地被命名为“魔法角”——环境正好可以创造强烈的相互作用，从根本上改变其属性
当达到这个精确的角度时，电子倾向于聚集在石墨烯的某些区域，新的电行为突然出现，就像被一个戏剧性的魔术师的繁荣所召唤
魔角石墨烯在某些情况下表现为导电性差的绝缘体，而在另一些情况下则与超导体截然相反——超导体是一种传输电能而不损失任何能量的材料
魔角石墨烯的发现以及它具有类似于高温超导体的某些量子行为是2018年物理世界年度突破
超导体有许多有价值的潜在用途，比如革新能源基础设施和制造高效磁悬浮列车
寻找一种方便的室温超导体一直是科学家们的圣杯
一种有前途的超导新形式的发现和大量其他电学上的奇怪现象，都有一个方便的新旋钮可以玩，这是重大的发展，但对物理学家来说最令人兴奋的是这些发现提出的所有新问题
Das Sarma研究了层状石墨烯的许多方面，自2019年以来，已有超过15篇关于该主题的论文；他说，他最感兴趣的两个问题是石墨烯是如何变成超导的，以及它是如何变成磁性的
达斯·萨尔马说:“与任何其他已知的凝聚态物质或原子集体系统相比，各种石墨烯多层被证明是一个更丰富的物理游乐场——超导性、磁性、相关绝缘体、奇怪金属的出现与底层的非平凡拓扑结构相结合，在相互作用、能带结构和拓扑结构之间提供了独特和前所未有的相互作用。”
“这一课题应该长期处于研究的前沿
" 萍水相逢 科学家们对超导性和磁性已经了解很久了，但是石墨烯并不是他们所期望的那样
分别发现这两种现象令人惊讶，但科学家也发现这两种现象在一些实验中同时发生
在一片石墨烯中，每个六边形的角落都有一个碳原子
信用:保罗柴金与贝利贝德福德修改 超导性和磁性通常是对立的，所以它们一起出现在石墨烯堆中表明有不寻常的事情发生
像达斯·萨尔马(Das Sarma)这样的研究人员希望，揭示哪些相互作用会导致石墨烯中的这些现象，将使他们对底层物理有更深入的了解，并可能让他们发现更多具有奇异和有用特性的材料
扭曲的双层石墨烯的电学性质的测量暗示了这个可能等待被发现的宝藏，这类似于在某些高温超导体中看到的行为
这表明石墨烯对于解开高温超导之谜可能至关重要
目前的线索指出电子相互作用的特性是理解这个主题的关键
超导性需要电子配对，因此推动石墨烯叠层配对的相互作用自然令人感兴趣
在《物理评论B》上发表的一篇文章中，Das Sarma，Wu和Euyheon Hwang提出，在扭曲的双层石墨烯中束缚电子对的东西可能令人惊讶地平凡。Euyheon Hwang以前是的研究科学家，现在是韩国成均馆大学的教授
他们认为配对机制可能与最容易理解的超导体相同
但是他们也认为传统的起源可能导致非常规的配对
他们的分析表明，不仅电子之间的相互作用以神奇的角度增强了，而且电子与碳原子振动的相互作用也增强了
这种振动被称为声子，是声音和材料中其他振动的量子力学版本
在最容易理解的超导体中，是声子将电子结合成对
在这些超导体中，配对的电子需要有相反的自旋值——这是一种量子特性，与量子粒子在磁场中如何定向有关
但是该团队的理论表明，在石墨烯中，这种传统的配对机制不仅可以将电子与相反的自旋配对，还可以将电子与相同的自旋配对
他们对配对方法的描述提供了一种可能的解释，有助于更普遍地理解扭曲双层石墨烯和石墨烯基材料中的超导性
吴说:“非常规超导在物理学中非常受欢迎，因为它本身就很奇特，也可能在拓扑量子计算中找到应用。”
“我们的理论为非常规超导提供了一种常规机制
" 最近，达斯·萨尔马、绍、吴和和的博士后研究员周扬智合作开发了一个工具，帮助科学家了解各种石墨烯叠层
一篇关于这项研究的论文最近被《物理评论快报》接受
他们建立了一个理论框架来探索电子在六边形网格上的行为方式
他们受到魔角扭曲三层石墨烯实验的启发
扭曲的三层石墨烯中间层相对于顶层和底层扭曲，就像一个奶酪三明治，切片扭曲，使角落突出
这种石墨烯夹层引起了人们的注意，因为它比双叠层结构在更高的温度下具有超导性
该团队的理论模型描述了电子在特定量子世界中的行为
用它来研究扭曲的三层石墨烯，他们证明了具有相同自旋的不寻常的电子配对可以支配电子的行为，并且是扭曲的三层石墨烯超导性的来源
这个新工具为研究其他石墨烯实验提供了一个起点
这种确定的配对机制影响电子的方式可能对未来讨论磁性在石墨烯实验中的作用具有重要意义
堆叠石墨烯中的磁性是它自己的神秘魔术
石墨或单层石墨烯中没有磁性，但当堆叠排列时，磁性会以某种方式出现
这一点尤其值得注意，因为超导性和磁性通常不能像它们在石墨烯叠层中出现的那样共存于一种材料中
“扭曲的三层石墨烯中的这种非常规超导状态可以抵抗大磁场，这种特性在其他已知的超导材料中很少见到，”Chou说
在《物理评论B》的另一篇文章中，达斯·萨尔马(Das Sarma)和吴(Wu)解决了扭曲的双层石墨烯中同时存在超导性和磁性的难题——这是一个类似双层石墨烯的系统，但扭曲位于两对对齐的石墨烯片之间(总共四片)
这种带有附加层的结构引起了人们的注意，因为它创造了一种量子环境，这种环境比基本的双层结构对通过叠层施加的电场更加敏感，使研究人员能够更好地调整超导性和磁性，并在不同的量子情况下观察它们
在这篇论文中，研究小组解释了磁性的来源，以及施加的电场是如何对堆栈的磁性行为产生观察到的变化的
他们认为磁性产生的方式与更常见的磁铁完全不同，比如铁基冰箱磁铁
在铁磁铁中，每个铁原子都有自己的小磁场
但是研究小组认为石墨烯中的碳原子并没有变得有磁性
相反，他们认为磁性来自于在整个薄片中自由移动的电子
他们的理论表明，双层石墨烯变得有磁性是因为在特定的量子环境中，电子如何更好地将彼此推开
这种额外的推动会导致电子协调它们各自的磁场，形成一个更大的磁场
电子自旋的协调也可能与电子配对和潜在超导性的形成有关
自旋可以想象成一个箭头，希望与周围的磁场对齐
当磁性足够强，足以撕裂两个相对的自旋时，超导性通常会失效
但是两个自旋成对排列可以解释石墨烯实验中和平共存的两种现象
在河的下一个转弯处 尽管这些理论为推进石墨烯研究的未知领域的研究人员提供了指导，但它们远非权威地图
在6月份举行的达斯·萨尔马会议上，一名研究人员展示了三个堆叠的石墨烯片中超导性的新观察结果，没有任何扭曲
这些叠层相互偏移，因此没有一个层在彼此的正上方；每个六边形都有一些碳原子位于其他层六边形的中心
实验揭示了超导性的两个不同领域，其中一个领域受到磁性的干扰，另一个领域则没有
这表明扭曲可能不是产生所有奇异现象的神奇成分，但它也提出了新的问题，为识别哪些电子行为是由“神奇”的扭曲创造或增强的提供了一条途径，并为研究基础物理的基本来源提供了新的机会
受这项工作的启发，以及达斯·萨尔马、绍、吴和周在同一合作中对磁性的先前观察，他们从数学上探索了电子的声子耦合在这些无扭曲叠层中可能发挥作用的方式
该团队的分析表明，声子配对可能是这两种超导性的驱动力，一种是通过匹配的自旋发生的，另一种是通过相反的自旋发生的
这项由周领导的工作最近被《物理评论快报》接受，并被选为PRL编辑的建议
这些结果只代表了JQI和CMTC石墨烯实验的一小部分，许多其他研究人员已经解决了这个丰富课题的其他方面
但是，在分层石墨烯的主题被绘制成图表并被驯服之前，还有很多需要发现和理解的地方
这些早期发现暗示，随着研究人员的深入挖掘，他们可能会发现新的研究脉络，代表着理解新物理甚至开发新技术的大量机会
Das Sarma说:“应用很难预测，但这些系统表现出如此多不同的阶段和现象的极端可调性，使得可能会有应用。”
“现阶段，这是非常令人兴奋的基础研究
"
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