自 2010 年取得诺贝尔物理学奖以来，石墨烯近年来成为二维资料的 流量明星 。今年前三个月，世界尖端学术期刊《天然》《科学》杂志已宣布三篇关于石墨烯的报导。这些研讨或为规划石墨烯基超导体奠定根底，或为探究石墨烯体系中的流体动力学拓荒新路。

　　一向以来，石墨烯以运用远景广泛的电子特性而出名。跟着研讨的不断深入，它的更多独特功用有待人们去发现和探究。

　　五年前，在美国洛杉矶会议中心举办的美国物理学会年会上，美国麻省理工学院的物理学家巴勃罗 · 贾里略 · 赫雷罗发布了一项重大成果。

　　此前，赫雷罗和他的搭档一向在进行石墨烯的试验研讨，石墨烯是从石墨（铅笔芯的主要成分）上剥离下来只要单个原子厚度的碳薄片资料。可是，当赫雷罗将两个石墨烯薄片堆叠在一同，以一薄片相关于另一薄片旋转，构成某个独特 魔角 时，一种独特的效应发生了。

　　便是这个在石墨烯错位层中的意外发现，为科学家研讨二维资料独特物理学拓荒了一个新的范畴。

　　在那次美国物理学会年会上，赫雷罗展现了石墨烯的一种独特新特性。他们将两层石墨烯堆以某个视点差异叠在一同，并经过门电压调控载流子浓度，成功完成了能带半满填充状况下的绝缘体，继而完成 1.7K（开尔文）温度下的超导电性。

　　独特 魔角 或让石墨烯成为电流几乎不活动的绝缘体，或成为超导体。这是一个具有重要意义的惊人发现，由于从量子核算到核聚变等多个前沿技能范畴中，超导体都有广泛的运用远景。

　　在这次年会之后，研讨人员经过石墨烯叠层改动发生 魔角 效应试验，发现了许多独特的量子效应，例如显现磁涡旋特性的 准粒子 。美国哈佛大学的阿米尔 · 亚科比以为，这些独特特性令人兴奋，蕴含着巨大的运用潜力。

　　更令人振奋的是，石墨烯的独特才刚刚锋芒毕露。新的研讨发现，经过添加石墨烯薄片的层数，或以其他资料交换，也会发生相似效应。在探究石墨烯独特特性的发现之旅中，科学家将深入研讨隐藏在二维资猜中难以想象的全新物理学。

　　石墨烯薄片叠层改动后体现的种种独特特性，为研讨资料的底子特性，尤其是探究不同原子摆放方法对资料特性所发生的效果，拓荒了新的途径。

　　资料是否导电，取决于原子中的电子在原子核周围的摆放形式。大致原理为，相邻原子的电子向外移动，构成一个互相堆叠的 电子带 。在导电资猜中，高能电子 电子带 具有更多可包容其他电子的空间，其自身也有更多可移动空间，一旦施加电压，就可构成电流在电极之间活动。而在绝缘体资猜中，高能电子带和低能电子带相同，都挤满了电子，在这样的资猜中，电子就像挤在拥堵房间里的人群相同，几乎没有自在移动的地步。

　　石墨烯中的碳原子由蜂巢状六边形晶格互相衔接，所以这种资猜中的电子可以在晶格带中自在络绎，这正是高速运转电子器件所需求的优秀特性。

　　src=事实上，假如是蜂巢晶格结构没有任何瑕疵的天然石墨烯，从理论上来说，其电子可以光速移动，就像底子没有任何质量相同。但假如两层石墨烯薄片相叠，其间一层相关于另一层以某种视点歪曲，就可以改动电子的移动方向。电子在两个六边形晶格中来回络绎，构成 超晶格 ，发生独特的 莫尔效应 。

　　在石墨烯中，电子行为不光受碳原子晶格的影响，莫尔超晶格一同也会对电子在两层石墨烯之间的自在移动度发生影响。因而经过改动两层石墨烯薄片相叠的视点，可以大幅下降双层石墨烯薄片之间传导电子的速度，然后改动电子行为。

　　假如具有许多动能，假如电子移动速度极快，它们几乎没有时刻发生互相效果。 赫雷罗说。可是，假如歪曲相叠的两层石墨烯薄片中的电子移动速度放缓，状况就不相同了。双层石墨烯薄片电子之间强壮的互相效果意味着电子的互相运动变得更灵敏，愈加互相依赖。用技能术语来讲，它们之间的联系变得 高度相关 。而这也正是工作变得十分风趣的当地：电子活动方法的这种相关性的进步，可以发生本来底子不或许呈现的奇观。

　　以超导体为例，传统超导体中的电子互动导致它们组合成 库珀对 。量子力学规律约束了具有相同特点（能量、方位等）电子的数量，但这并不适用于这种特别的库珀对，它们可以集合一同，在没有阻力的状况下，不受晶格原子的阻止而四处移动。事实上，库珀对是高能准粒子的一个典范：许多电子呈集合态四处移动，其体现像是一种新式粒子。

　　所以，假如想要寻觅独特的电子特性，让电子相关，二维资料是最好的挑选。在三维空间里，电子一般有许多方法互相远离，避免触摸，但在二维空间里，特别是在石墨烯这样的薄层导体资猜中，电子活动更趋向于聚合，然后显现出不同寻常的独特特性。

　　美国新泽西州罗格斯大学的伊娃 · 安德烈伊和她的搭档发现，当一层石墨烯薄片叠在另一石墨烯薄片上时，样本中的电子能量水平会呈现一种被称为 魔角效应 的独特改动，特别是当一层相关于另一层旋转约 1 ° 时，这种效应尤为显着。

　　其他一些研讨团队也陈述称发现了相似现象，理论物理学家对此很感爱好，他们想知道，为什么会这样，终究发生了什么。

　　美国德克萨斯大学奥斯汀分校的艾伦 · 麦克唐纳和搭档对双层石墨烯的电子特点研讨后发现，当两层薄片处于某个旋转视点时，电子的移动速度降为零。 电子活动彻底中止了。 麦克唐纳说， 这对咱们来说是个彻底意想不到的惊喜。

　　最大 独特扭角 约为 1.16 °，但要深入研讨石墨烯的种种独特，这依然太小，需求对旋转视点的方向进行极端精密的操控。赫雷罗以为，这种独特改动角具有极大潜力，有或许成为电子特点中史无前例的新 调谐旋钮 ，所以他决议试一下。

　　一开端，他的团队在歪曲双层石墨烯中发现，电子带的动能很小，正如麦克唐纳等人对电子低速移动的猜测相同。所以，研讨人员开端寻觅一种被称为莫特绝缘体的非导电态，他们以为这种状况或许存在于强相关电子中。后来，赫雷罗团队对这种电子行为进行调查后，发现了更风趣的现象。他们发现，对石墨烯施加电压进行微调，改动带着电流的电子数量，就可以发生超导体。与一切的超导体资料相同，这种状况只在低于 1.7K 的极低温度下才会呈现。

　　魔角 石墨烯的这种独特电子效应引起了许多研讨人员的爱好，纷繁参加这一研讨范畴。激起他们爱好的，不仅仅是发现新的根底物理学的远景，还由于超导体资料的广泛需求。比方，用于量子核算机中的量子比特，可经过量子物理学一些特别定理加快某些特定运算。在一些需求用到强磁场的运用技能中，如核磁共振成像和核聚变反应堆等，也是超导体大显神通的范畴。

　　发生磁场的方法之一是让电流绕线圈活动。对超导线圈加大电流强度可发生更强壮的磁场。可是超导导线需求坚持极低温度，处理难度很大。

　　这就解说了为何研讨人员对 魔角 石墨烯的超导功用如此感爱好，它或许为人们终究了解某些独特超导现象供给新的途径。例如，某些被称为 层状铜氧化物 的铜基化合物可在相对较高（135k，相当于 -138 ℃）的温度条件下发生超导性。40 年前，这类超导体初次被报导后，其独特的超导行为一向困扰着研讨人员。

　　src=▲ 95 后我国学者曹原在 魔角 石墨烯范畴不断取得原创性打破，被誉为 石墨烯驾驭者 。 图/p>

　　对‘魔角’石墨烯的了解是否能协助咱们了解层状铜氧化物超导特性发生的原因，咱们至今还不甚清楚。 赫雷罗说。他指出，层状铜氧化物和 魔角 石墨烯的相同之处是，它们都是叠层资料，且具有一些相同的特点，但它们也有许多不同。赫雷罗直觉以为，这一研讨对咱们会有所协助，但现在就下定论还为时过早。

　　魔角 石墨烯是怎么发生的？一般，赫雷罗的研讨小组先取来一个六方氮化硼（hBN）薄片。之所以用它，是由于它具有与石墨烯相同的蜂窝结构，厚度为 1000 万分之一到 3000 万分之一毫米。研讨人员以其用作胶带，从石墨中剥离一层石墨烯，然后再剥离第二层，手动调整 hBN 薄片的方向，相关于第一层稍微旋转，最终再将丈量导电率所需的各种组件拼装上去。可是，创立这样的结构难度十分大。

　　摩尔体系的物理性质会跟着扭角视点的细小改动而改动。 赫雷罗说，这些体系或许并不安稳， 有许多张力和歪曲，原子会四处移动，争相占有最合适的方位。

　　不过或许有代替方法，可以不依赖 魔角 来处理这些问题。研讨人员发现，运用原子空隙略有不同的两种不同原料薄片，也可以发生某种摩尔超晶格。

　　过渡金属二卤族化物（TMDs），如二硫化钨和二硒化钨，也能构成六边形键合层。由不同资料制成的两层或更多层键合层，可发生多种不同的原子摆放形式。例如，运用二硫化钨和二硒化钨原子距离 4% 的不匹配，可发生摩尔效应图画，图画以每 8 纳米的距离重复呈现。

　　TMD 双层资料不依赖于 魔角 ，对改动视点的细小改动不灵敏，试验的可重复性要高得多。美国康奈尔大学的研讨人员与麦克唐纳等人协作，证明了一个由二硫化钨和二硒化钨构成的摩尔体系，用来探究各种相关电子行为，可作为最盛行的 哈伯德模型 的物理模仿。

　　哈伯德模型于 1963 年由物理学家约翰 · 哈伯德提出，并以他的姓名命名。哈伯德模型将电子能量分为两种：动能和互相效果发生的能量。哈伯德模型是研讨莫特绝缘体、超导体（特别是铜氧化物）和有序磁性的常用模型。虽然它的简单性令人陶醉，但在数学处理上却很困难，模型方程的准确解法依然只存在于一维体系中。

　　但麦克唐纳以为，这些可以完成摩尔效应的资料是哈伯德模型的完美映射。试验证明，改动施加在 TMD 双层资料样本上的电压，模型可以猜测资料样本一系列行为改动，如铁磁性和反铁磁性之间的转化。跟着磁性转化，原子旋转方向也会随之改动，不需求经过杂乱的数学核算，经过试验也可得出模型猜测成果。

　　麦克唐纳说，摩尔体系还将给咱们带来多少惊喜，咱们并没有彻底的决心。但经过 魔角 石墨烯超导性了解的研讨开展及预期，他表达了慎重达观的情绪： 这些开展关于咱们了解高温超导性具有重要意义。

　　一些惊喜是咱们可以等待的，赫雷罗开始在这些体系中发现超导性便是一个彻底出人意料的惊喜。虽然在之后几年里取得了继续开展，但赫雷罗以为，关于数百个有或许构建成功的摩尔体系中，科学家的知道还只限于外表， 这些都是十分杂乱的体系，它们具有各自不同的组成部分、几许形状及杂乱程度 。

　　科学家们在这一不知道范畴内现已迈出了令人振奋的第一步，未来有许多或许性正等待着人们去探究和发现。

　　魔角 石墨烯具有许多令人入神的特性，这让科研人员对它的研讨骑虎难下。未来，还将有无限或许的新发现，蕴藏在这种独特资猜中。

　　魔角 石墨烯可以显现出像铁那样的铁磁特性。铁磁性经过电子快速旋转发生，归于一种量子特性。在具有铁磁特性的一些资猜中，一切电子的旋转方向都是共同的。

　　2019 年，美国加州规范资料与能源科学研讨所的戴维 · 戈登和他的搭档，经过操作 魔角 石墨烯的电子带，初次调查到了石墨烯的铁磁功用。可控铁磁性可经过开关操控，在一种叫做 自旋电子学 的电子技能中很有用，研讨人员可运用电子自旋来给信息编码，而不是电流脉冲。

　　对 魔角 石墨烯的研讨仍是发现新的独特准粒子的膏壤，包含那些带着分数电荷的准粒子。电子电荷是一种底子单位，没有比它电荷更小的自在粒子了。但在一种被称为 分数量子霍尔效应 的独特现象中，电子体现得如同带有分数电荷。分数电荷准粒子的电子一般呈别离态，在 魔角 石墨烯中，电子按准粒子晶格摆放，被称为 分数陈绝缘子 。

　　科学家研讨分数准粒子，不仅是出于科学探究的好奇心，也出于实践运用的需求。分数准粒子与 任意子 有着惊人的相似之处，而 任意子 是一种设想准粒子，是量子核算迫切需求的。

　　在粒子物理学规范模型中，底子粒子可归为两大类：一类是费米子，比方电子；另一类是玻色子，比方光子。准粒子一般也遵从这样的二分法。比方，库珀对是玻色子，但任意子假如存在的话，便是介于玻色子和费米子之间的某种东西。有人提出，将特定类型的任意子当作量子比特，可避免导致核算失误的量子比特状况翻转或随机化，这类过错正是阻止现在量子核算机开展的一个 拦路虎 。

　　有关石墨烯超薄资料独特量子效应的新发现不断给人们带来惊喜。2021 年 3 月，美国哈佛大学的阿希文 · 维什瓦纳斯和他的搭档提出了歪曲石墨烯具有超导性的理论，该理论根据一种被称为 斯格明子 的准粒子。2021 年 12 月，美国普林斯顿大学的研讨人员发布了与这种斯格明子准粒子有关的陈述。2022 年年头，赫雷罗在三层石墨烯中发现了超导性，哈佛大学菲利普 · 金姆领导的一个研讨团队也独立得出了相同成果。之后，赫雷罗的研讨团队证明，四层乃至五层石墨烯中也存在超导性。

　　作为电极资料，石墨烯是绝佳的负极资料，被以为是可以代替硅的芯片资料。别的，石墨烯在柔性屏幕、可穿戴设备、太阳能充电等范畴的运用也有待发掘。

　　石墨烯在可穿戴设备范畴具有必定运用空间。例如，爱尔兰科学家正在开发根据石墨烯的灵敏可穿戴传感器，并发现该传感器可以检测到用户最纤细的动作，包含盯梢呼吸和脉息。别的，该传感器还能完成自供电。

　　金属纳米石墨烯导热塑料如运用在 LED 灯具等产品的散热上，其体系本钱至少可下降 30%。石墨烯所具有的快速导热与散热特性，使得石墨烯成为极佳的散热资料，可用于智能手机、平板电脑、大功率节能 LED 照明、卫星电路等。

　　石墨烯光滑油有自修复功用，能构成光滑保护膜，还具有抗磨功用和优异的成膜功用。它所独有的分水功用，可有用避免乳化。此外，它还具有很好的抗氧散热性，可有用延伸机油运用周期。

　　石墨烯还可运用于动力电池负极复合资料、锂电池正极导电剂和功用涂层铝箔中，可极大减轻电池分量然后下降整车质量、延伸电池运用寿命，大大进步电动轿车续航路程和充电速度。将石墨烯运用到热成像设备的芯片中，将或许使未来轿车有夜视功用。

　　石墨烯具有杰出的力学功用和生物相容性，将其作为增强填料可明显进步生物资料的力学功用。在基因组测序技能范畴，最近成功开发出来的 DNA 感测器，是一种以石墨烯为根底的场效应类晶体管设备，能勘探 DNA 链的旋转和方位结构。该感测器运用石墨烯的电学性质，成功完成检测 DNA 序列的微观功用。