轉角遇到它，3年已發34篇Nature/Science

一、重啟式回歸。。。

看到今天的題目，想必大家應該猜到今天我們將要談論的主題，沒錯，就是它，那個每天霸屏的“魔角石墨烯”。

2004年末，Science雜志一篇題為“Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films”的論文上線，上線的當月，這篇論文的全文下載次數為1390次，半年后的下載次數僅為98次。一篇看起來“平淡”的論文，卻在6年后榮登諾貝爾物理學獎，請注意此處的“物理”二字。

至此，一場圍繞石墨烯的風暴式的學術盛宴正式開啟。萬物皆可石墨烯、每個研究領域都有石墨烯的說法，可能并不為過，但暴風雨過后，必有平靜，對于科學而言，那就必有“瓶頸”。究竟大量成果或應用是基于類似石墨烯的粉狀物還是真正意義上的石墨烯？可能是一個玄學。

那么，石墨烯發現的真正科學意義究竟是什么？可能也是一道基本沒有答案的題目，因為每個人基于自己的學科認知，都會有不同的答案。我們再次回到開頭的“物理”二字，可能，它的真正意義是在物理上，因為類石墨烯的分散體系早有報道，關于它的一切其實若干年前就已經開始研究，但2004年的成果最大的貢獻是揭示了它那特別的基本物理性質。

因此，從物理角度而言，單層或寡層的真正石墨烯具備的“獨特”性質可能是與其電子有關的物理性質，因為同經典的三維晶格相比，放飛自我的電子們可能找到了人生的航線吧。

那么，這個從2018年開始霸屏的“魔角石墨烯”究竟是如何成為矚目的焦點的？

二、轉角遇到驚艷！

?2007年，新加坡國立大學的Antonio Castro Neto（當時位于波士頓大學）假設將兩層錯位的石墨烯壓在一起可能會產生新的電學性質，并猜想在某些條件下，石墨烯可能會變為超導體，但他當時沒有將這兩種想法結合起來。他與合作者將第一種想法的理論成果發表在了物理學期刊PRL上，這篇配圖簡單的論文卻從某種意義上撬動了“扭轉電子學”（twistronics）的大門。

2010年，來自智利的研究人員發表了一篇關于雙層扭轉石墨烯的理論成果，該項研究認為“在接近1度左右，扭轉雙層石墨烯的電子能帶將會變得完全平坦”，因此，電子之間的“集體行為”是可能存在的。

2011年，來自得克薩斯大學奧斯汀分校的物理學家Allan MacDonald通過理論預測發現，之前提出的所謂“魔角”情況下，自由電子在兩個石墨烯層之間發生隧穿時所需的能量發生了根本性的變化。當時，大量的理論研究主要集中于解決莫爾晶格（moiré cell）中的電子受到數量巨大的原子影響的機制，但這個具有數量龐大的石墨烯晶格的周期性結構，對于計算而言是一件棘手的事情。此刻，Allan MacDonald靈感乍現，采用了一個簡化的思維來研究這個體系，即，莫爾晶格中可能存在某種僅僅與旋轉角度有關的特性，而這與原子的細節無關，并且自由電子必須經過能量交換才能實現層間隧穿，其計算表明：當旋轉角小至精準的1.1°時，隧穿能量會驟然消失。在這篇論文中，作者將魔角(magic angle)這一術語引入，不過，魔角絕不是石墨烯的專屬天使，大家熟悉的魔角核磁就是一個。當然，這篇論文一經提交，就得到來自審稿人的“批評與質疑”，最終僥幸被PNAS收留。盡管當時，作者猜測電子間的強關聯作用可能會產生類似超導的特性，但無法準確預測其是否存在。例如，哈佛大學的Philip Kim（Pablo Jarillo-Herrero博后期間的導師）當時就認為，這個理論模型過于簡單，實驗上基本不可能實現精準的角度控制，因此，實驗領域并沒有多少研究者關注這項成果。

我們的主角此刻應該出場了，不過，還有一個餐前甜點需要點一下。

2017年，哈佛大學的Efthimios Kaxiras團隊通過詳細的量子力學計算來盡可能的減少石墨烯兩層之間扭轉角的不確定性，因為這種不確定性可能導致電子在這個二維系統中的反常行為。這項成果首次提出“twistronics”，將扭轉導致的奇異物理現象推廣至更廣的二維材料系統。

當大多數人對魔角石墨烯的實驗不抱希望的時候，Pablo Jarillo-Herrero并沒有隨波逐流。其實，在那篇PNAS報道之前，他已經開始了實驗方面的探索，但一直沒有實質性的進展。因為當你想將兩層石墨烯偏離一定微小的角度時，它們本能的有恢復重合的趨勢，因此，這似乎是一項不可能完成的任務。當然，這個“兩層”的石墨烯還必須是近乎完美的高質量樣品，聽起來都覺得不可思議。

2017年，博士生曹原將制備好的石墨烯基電學測試器件呈現在導師Pablo Jarillo-Herrero面前。當他們將電場增加到一定數值時，扭轉雙層石墨烯轉變為絕緣體，此時，他們嘗試繼續增大電場，超導就奇跡般的出現了！經過半年的多次重復實驗，2018年3月，兩篇“背靠背”的成果引爆了學術圈。

不過，兩篇成果的提交時間其實不同，關聯絕緣行為的提交日期是2017年10月6日，接收日是2018年2月21日，經歷的應該是正常的同行評議流程。而非常規超導行為的提交日期是2018年2月5日，21天后即被接收。Pablo Jarillo-Herrero在論文接收后，將通知郵件發給了Allan MacDonald，他收到郵件后，覺得這項成果簡直令人難以置信！

隨后的故事，就是大家都知道的一系列重磅成果的不斷迸發了。

2019年，Pablo Jarillo-Herrero曾指出，當時差不多有30個組在跟進，2021的時候可能會有100個組！記得當“魔角石墨烯”首次出鏡在美國物理學會的春季會議上，他作報告的房間內外站滿了觀眾，堪比學術追星現場，很多人只是想一撇轉角世界的魔法，因為它足夠吸引人。

下面這個視頻直觀的展現了不同角度扭轉下的石墨烯變化：

視頻源：@?Pmende

三、轉角為何驚艷？

關于超導，有太多值得敘述的歷史，它的發展就像是人類追求終極夢想的旅程，縱使一路荊棘，卻依舊堅守初心。自1911年超導現象發現以來，這110年的旅程里一共獲得了10個諾貝爾獎，因為實現室溫下的超導將極大促進電力、電子以及電磁等領域的發展或者顛覆性變革。這一點，應當是公認的。

但超導發展的漫漫旅途走到今天，依舊有無數朵烏云不肯散去。其中的一朵就是非常規超導體的物理起源與機制，它無法用經典的BCS理論解釋。?而石墨烯這個具有簡單組成的體系迸發出了非常規超導的光芒，自然而然會成為凝聚態物理的寵兒。

因為物理學最怕“復雜體系”，一直在遵循“簡單”，盡可能減少其他因素的干擾，將有利于看到現象背后普適的物理機制。銅氧化物作為明星的非常規超導體，但其組成并不簡單，因此，背后的物理機制始終難以清晰、明確的呈現。這就是為什么魔角石墨烯一出，競相追逐的原因。

通過檢索兩大頂級期刊（Nature和Science），我們發現，圍繞魔角石墨烯和莫爾超晶格的研究一共發表了28篇Nature和6篇Science論文（此數據經過手動計算，如有誤差敬請見諒）。

那么，這3年來，圍繞魔角石墨烯的整體論文發表情況又是怎樣的呢？

圖1 魔角石墨烯論文年度發文量

圖1顯示了這三年來的發文情況，盡管對于石墨烯這樣一個熱門話題而言，這個方向的年度發文總量并不算多。但年均增長速度達到了2倍，可見其發展速度之快。隨著研究的不斷擴展，未來應該還有更多的工作出爐。

圖2 魔角石墨烯論文國家和地區分布

國際論文分布方面（圖2），作為該領域的原創國家，美國當仁不讓的占據了第一。但后來居上的中國、日本也不甘示弱，歐洲幾個國家的發文總和也不能小覷。從這個數據來看，美歐是這一領域重要的推動者，從2011年那篇重要的理論成果發端，經過10年的發展，一個新興領域已經屹立在石墨烯王國。

圖3 魔角石墨烯發表期刊分布

發表期刊的分布則具有非常明顯的學科屬性（圖3），從最早的PRL提出概念，到隨后幾篇PRB的一步一步摸索，凝聚態理論成果的概念最終經過大量科學家的探索終于將不可能變成可能。值得注意的是美國物理學會的新創開源期刊PRR在這一領域也貢獻了不少成果，此外，中國期刊CPB也有少量文章發表。

最為有趣的是Nature和Science兩大期刊，不知是對當年錯失諾獎論文遺憾的彌補，還是其他原因，Nature貢獻了這個方向的28篇（其中幾篇剛發表的還未被SCI收錄）成果，遠超Science。

圖4 魔角石墨烯已發表論文關鍵詞密度圖

最后，我們看看這些發表論文的關鍵詞密度圖（圖4），主要的研究都是圍繞其電子關聯行為展開。作為研究強關聯電子、超導和奇異凝聚態物理現象的新平臺，前期圍繞其多重結構變化、電子能帶、相變等新物理效應，必將有一系列成果誕生，而且都是密切相關的逐步深化式研究，這也解釋了為什么很多很相近的成果被不同的組接連報道。

四、轉角遇到中國少年！

最后，我們當然需要聊聊那位中國少年，曹原。目前為止，他全部成果包括8篇Nature和2篇Science，其中的多篇是第一作者+通訊，或者共同第一作者。作為參與作者的論文也是緊密圍繞超導等強關聯體系展開。從成果的集中度來看，非常“專注”。

具體列表如下：

Nature

1. 2018-03-05(第一+通訊) Unconventional superconductivityin magic-angle graphene superlattices

2. 2018-03-05(第一)Correlated insulator?behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices

3. 2020-05-06(第一+通訊) Tunablecorrelated states?and spin-polarized phases in twisted bilayer–bilayer graphene

4.?2020-05-06(共一)Mapping the twist-angle disorder and Landau levels?in magic-angle graphene

5.?2020-06-11(非一) Cascade of phase transitionsand Dirac revivals in magic-angle graphene

6.?2021-02-01(共一+通訊) Tunable strongly coupledsuperconductivity?in magic-angle twisted trilayer graphene?

7.?2021-03-31(共一+通訊)Flavour Hund’s coupling, Chern gaps and?charge?diffusivity in moiré graphene

8.?2021-04-07(共一)Entropicevidence for a Pomeranchuk effect in magic-angle graphene

Science

1. 2018-11-23(非一)Electrically tunable low-density superconductivity?in a monolayer topological insulator

2. 2021-04-16(第一+通訊)Nematicity and competing orders in superconducting?magic-angle graphene

關于曹原在這一領域的個人貢獻，可能他博士論文里的某些表述更具有價值。

圖5 兩種制備方案（圖源：曹原博士論文）

在實驗部分，他把如何制備魔角石墨烯器件的流程、注意事項，以及自己開發兩種制備策略時的探索心得一并呈現。例如，“The process itself is very simple.?……Problems can occur?during the tearing step. Firstly, it requires very intricate?control in order to stop the engagement of the PC exactly at the edge of the h-BN?flake.”盡管字數有限，或者在外行看來似乎是“沒那么困難”，但解決這個重要難題時的個人心路歷程，可能我們每個人都無法體會。他的成功可以說是導師對方向的慧眼與堅守+學生的聰慧與開拓的典范。從大學時就開始涉足石墨烯超晶格的理論工作，到最后一步一步完成個人學術階梯的逐級遞進。在凝聚態實驗物理領域，解決了樣品的器件制備，加上已有的成熟測試平臺，那么，可以做的工作實在太多。但，很多人可能提前就在第一步下車，或者很多人在第二步沒捕捉到“奇異”的物理。能同時做到兩者的，才更有可能離有趣的物理更進一步。

最后，借用國外科技媒體Seeker關于魔角石墨烯的介紹中的一句話結尾：

Ever since its discovery, “magic-angle” graphene?has taken the scientific community by storm.

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