參考消息網(wǎng)12月12日報(bào)道英國《新科學(xué)家》周刊12月3日刊登題為《隱藏在超薄材料中的奇特量子效應(yīng)曝光》的封面文章，作者是菲利普·鮑爾。全文摘編如下： 2018年3月，在洛杉磯會議中心舉行的美國物理學(xué)會年度會議氣氛非常熱烈。為了容納更多聽眾，會議已經(jīng)轉(zhuǎn)移到中庭，但人們?nèi)匀徊坏貌粩D到陽臺上觀看活動。 有傳言說，麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家巴勃羅·哈里略-埃雷羅有重大成果發(fā)布，此前他和同事一直開展石墨烯實(shí)驗(yàn)。石墨烯是從石墨(就是鉛筆芯的主要成分)上剝離下來、只有單個原子厚度的碳層，已經(jīng)因?yàn)榫邆涠喾N前景廣闊的電子特性而聞名。

扭曲石墨烯的驚喜

哈里略-埃雷羅在會上展示，如果將兩片石墨烯疊加，然后扭曲或旋轉(zhuǎn)，當(dāng)其中一片相對于另一片形成特定的“魔角”時，石墨烯或是成為絕緣體，其電流幾乎停止，或者成為超導(dǎo)體，其電流電阻為零。這是一個驚人的絕技展示，而且可能意義重大，因?yàn)槌瑢?dǎo)體有望應(yīng)用于從量子計(jì)算到核聚變等各個領(lǐng)域。

從那以后，研究人員利用扭曲的石墨烯生成了各種奇特的量子效應(yīng)，包括能呈現(xiàn)出磁渦旋態(tài)，并具備奇異電子特性的“準(zhǔn)粒子”。哈佛大學(xué)的阿米爾·亞科比說：“令人興奮的是，它們蘊(yùn)含帶來驚喜的巨大潛力。”

更加振奮人心的是，這一旅程幾乎還沒起步?，F(xiàn)在，我們可以通過增加石墨烯的層數(shù)或替換成其他材料來得出類似效應(yīng)，進(jìn)而深入研究隱藏在二維材料中的全新物理學(xué)。

研究這些扭曲的堆垛物質(zhì)提供一種新方法來探究材料的根本性質(zhì)，更具體地說，是探究原子排列如何影響其特性。

就石墨烯而言，碳原子由蜂巢狀的六邊形晶格相互連接，在這些晶格帶中，電子可以自由穿梭。事實(shí)上，如果是蜂巢狀晶格結(jié)構(gòu)沒有任何瑕疵的完好石墨烯，理論上其電子能以光速移動，就好像根本沒有質(zhì)量一樣。

但是，如果有兩層石墨烯，而且相對其中一層扭曲另一層，就能改變電子的移動方式。哈里略-埃雷羅說：“如果電子擁有大量動能，移動速度極快，就幾乎沒有時間相互作用?！钡a(bǔ)充說，由于電子在扭曲的雙層石墨烯中移動放緩，情況發(fā)生了變化。強(qiáng)大的相互作用意味著電子運(yùn)動變得相互間非常敏感和依賴。用術(shù)語說，就是它們變得高度相關(guān)——事情正是從這里開始變得有趣，因?yàn)橄嚓P(guān)的電子能夠完成本來不可能完成的壯舉。

要尋找怪異的電子特性，就要讓電子相關(guān)；要讓電子強(qiáng)相關(guān)，扁平材料就是最保險的選擇。三維結(jié)構(gòu)中，電子有更多方式彼此遠(yuǎn)離；而在二維結(jié)構(gòu)中，特別是石墨烯這類片狀導(dǎo)體，電子更有可能聚集起來上演絕技。

“魔角”或成“調(diào)節(jié)旋鈕”

美國拉特格斯大學(xué)的伊娃·安德烈及其同事已經(jīng)瞥見“魔角”效應(yīng)，他們在兩層疊放的石墨烯樣本中看到電子能量水平發(fā)生的怪事。當(dāng)一層經(jīng)旋轉(zhuǎn)與另一層形成約1度的相對角度時，這種效應(yīng)尤其明顯。

最大的“魔角”約為1.16度，這仍然十分微小，需要極端精細(xì)地控制石墨烯薄層的方向。但哈里略-埃雷羅看出，這種扭曲角度有可能成為電子特性前所未有的新“調(diào)節(jié)旋鈕”，因此決定試一試。

2016年，他的研究團(tuán)隊(duì)在扭曲的雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)了第一則證據(jù)，證明電子帶中的動能很小。于是研究人員加緊推進(jìn)，尋找一種叫做Mott絕緣體的非導(dǎo)電態(tài)，他們認(rèn)為這種非導(dǎo)電態(tài)可能源自電子的強(qiáng)相關(guān)。

果然，2018年哈里略-埃雷羅的研究團(tuán)隊(duì)也觀察到這種行為，此外還發(fā)現(xiàn)了更有趣的現(xiàn)象。如果研究人員改變電壓來微調(diào)攜帶電流的電子數(shù)量，就能獲得超導(dǎo)體。與所有超導(dǎo)材料一樣，這種超導(dǎo)行為只出現(xiàn)在極低溫度下——低于1.7開爾文，也就是只比絕對零度高出不到2攝氏度。哈里略-埃雷羅說，沒人預(yù)料到這一點(diǎn)。

于是，研究人員迅速蜂擁研究“魔角”石墨烯產(chǎn)生的奇特電子效應(yīng)。激勵他們的不僅是可能發(fā)現(xiàn)新的基礎(chǔ)物理學(xué)，還有對超導(dǎo)體的需求。超導(dǎo)體可用于量子計(jì)算機(jī)的量子比特中，利用量子物理學(xué)的特殊定律來加速特定計(jì)算，還能用于需要強(qiáng)磁場的技術(shù)，比如磁共振成像(MRI)儀器和核聚變反應(yīng)堆。

產(chǎn)生磁場的方式之一是為線圈通電。對超導(dǎo)線圈加大電流強(qiáng)度能產(chǎn)生強(qiáng)大得多的磁場。但是，超導(dǎo)線圈必須保持極低溫度，處理起來并不容易。這就解釋了為什么有些人對這種可能性很感興趣：“魔角”石墨烯的超導(dǎo)行為或許能提供一種方式，讓人們最終理解為什么某些銅基化合物能在135開(零下138攝氏度)的相對溫暖環(huán)境下表現(xiàn)出超導(dǎo)行為。這種超導(dǎo)行為是近40年前首次報(bào)道的，此后一直困擾著學(xué)術(shù)領(lǐng)域。

哈里略-埃雷羅說：“我們還不知道，‘魔角’石墨烯是否有助于我們了解銅酸鹽的超導(dǎo)性從何而來?！彼f，銅酸鹽和“魔角”石墨烯都是堆垛材料，還有其他共同特性，但也有很多不同。他說：“我的直覺是，會(有所幫助)，但現(xiàn)在下結(jié)論還為時過早。”

新發(fā)現(xiàn)蘊(yùn)含無限可能

不管怎樣，從“魔角”石墨烯中發(fā)現(xiàn)了大量引人注目的現(xiàn)象。例如，它能像鐵一樣，生成鐵磁性。2019年，斯坦福大學(xué)材料和能源科學(xué)研究所的戴維·戈德哈貝爾·戈登及其同事通過操縱“魔角”石墨烯的電子帶，得以首次觀察到石墨烯的鐵磁特性。

事實(shí)證明“魔角”石墨烯還是發(fā)現(xiàn)新奇“準(zhǔn)粒子”的沃土，包括攜帶分?jǐn)?shù)電荷的準(zhǔn)粒子。這些分?jǐn)?shù)準(zhǔn)粒子不只為滿足科學(xué)界的好奇心，也能服務(wù)于實(shí)際利益，因?yàn)樗鼈兣c“任意子”——一種為量子計(jì)算苦苦尋覓的假想準(zhǔn)粒子——驚人地相似。

根據(jù)粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，所有基本粒子都可歸為兩大類：一種是費(fèi)米子，比如電子，另一種是玻色子，比如光子。準(zhǔn)粒子通常也遵循這樣的二分法。但是，任意子如果存在，就介于玻色子和費(fèi)米子之間。有人提出將特定類型的任意子當(dāng)作量子比特，能避免出現(xiàn)導(dǎo)致量子計(jì)算錯誤的隨機(jī)翻轉(zhuǎn)——這正是目前量子計(jì)算機(jī)難以大展拳腳的主要障礙之一。

新發(fā)現(xiàn)不斷涌現(xiàn)。2021年3月，哈佛大學(xué)的阿什溫·維什瓦納特及其同事基于名為“斯格明子”的準(zhǔn)粒子，提出了扭曲的石墨烯具有超導(dǎo)性的理論。今年早些時候，哈里略-埃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·金領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)也獨(dú)立得出這一結(jié)果。哈里略-埃雷羅的研究團(tuán)隊(duì)后來證明，即使在四層和五層石墨烯中也存在超導(dǎo)性。

哈里略-埃雷羅說：“短短幾年，通過將非常簡單的材料結(jié)合起來，我們幾乎實(shí)現(xiàn)了凝聚態(tài)物理學(xué)的所有階段。想想就覺得不同尋常。”

我們應(yīng)該會迎來更多驚喜。哈里略-埃雷羅最初在石墨烯中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)性時，是完全出乎意料的。盡管此后取得了上述進(jìn)展，但他堅(jiān)稱，“我們能制造出成百上千的摩爾結(jié)構(gòu)，而且成分、幾何形狀和復(fù)雜程度都截然不同，但是現(xiàn)在幾乎還沒摸到門路?！泵鎸Τ錆M各種可能性的未知前景，我們僅僅邁出頭幾步。

審核編輯 ：李倩