转角遇到它,3年已发34篇NatureS

一、重启式回归。。。

看到今天的题目,想必大家应该猜到今天我们将要谈论的主题,没错,就是它,那个每天霸屏的“魔角石墨烯”。

年末,Science杂志一篇题为“ElectricFieldEffectinAtomicallyThinCarbonFilms”的论文上线,上线的当月,这篇论文的全文下载次数为次,半年后的下载次数仅为98次。一篇看起来“平淡”的论文,却在6年后荣登诺贝尔物理学奖,请注意此处的“物理”二字。

至此,一场围绕石墨烯的风暴式的学术盛宴正式开启。万物皆可石墨烯、每个研究领域都有石墨烯的说法,可能并不为过,但暴风雨过后,必有平静,对于科学而言,那就必有“瓶颈”。究竟大量成果或应用是基于类似石墨烯的粉状物还是真正意义上的石墨烯?可能是一个玄学。

那么,石墨烯发现的真正科学意义究竟是什么?可能也是一道基本没有答案的题目,因为每个人基于自己的学科认知,都会有不同的答案。我们再次回到开头的“物理”二字,可能,它的真正意义是在物理上,因为类石墨烯的分散体系早有报道,关于它的一切其实若干年前就已经开始研究,但年的成果最大的贡献是揭示了它那特别的基本物理性质。

因此,从物理角度而言,单层或寡层的真正石墨烯具备的“独特”性质可能是与其电子有关的物理性质,因为同经典的三维晶格相比,放飞自我的电子们可能找到了人生的航线吧。

那么,这个从年开始霸屏的“魔角石墨烯”究竟是如何成为瞩目的焦点的?

二、转角遇到惊艳!

年,新加坡国立大学的AntonioCastroNeto(当时位于波士顿大学)假设将两层错位的石墨烯压在一起可能会产生新的电学性质,并猜想在某些条件下,石墨烯可能会变为超导体,但他当时没有将这两种想法结合起来。他与合作者将第一种想法的理论成果发表在了物理学期刊PRL上,这篇配图简单的论文却从某种意义上撬动了“扭转电子学”(twistronics)的大门。

年,来自智利的研究人员发表了一篇关于双层扭转石墨烯的理论成果,该项研究认为“在接近1度左右,扭转双层石墨烯的电子能带将会变得完全平坦”,因此,电子之间的“集体行为”是可能存在的。

年,来自得克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家AllanMacDonald通过理论预测发现,之前提出的所谓“魔角”情况下,自由电子在两个石墨烯层之间发生隧穿时所需的能量发生了根本性的变化。当时,大量的理论研究主要集中于解决莫尔晶格(moirécell)中的电子受到数量巨大的原子影响的机制,但这个具有数量庞大的石墨烯晶格的周期性结构,对于计算而言是一件棘手的事情。此刻,AllanMacDonald灵感乍现,采用了一个简化的思维来研究这个体系,即,莫尔晶格中可能存在某种仅仅与旋转角度有关的特性,而这与原子的细节无关,并且自由电子必须经过能量交换才能实现层间隧穿,其计算表明:当旋转角小至精准的1.1°时,隧穿能量会骤然消失。在这篇论文中,作者将魔角(magicangle)这一术语引入,不过,魔角绝不是石墨烯的专属天使,大家熟悉的魔角核磁就是一个。当然,这篇论文一经提交,就得到来自审稿人的“批评与质疑”,最终侥幸被PNAS收留。尽管当时,作者猜测电子间的强关联作用可能会产生类似超导的特性,但无法准确预测其是否存在。例如,哈佛大学的PhilipKim(PabloJarillo-Herrero博后期间的导师)当时就认为,这个理论模型过于简单,实验上基本不可能实现精准的角度控制,因此,实验领域并没有多少研究者

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