转角遇到它，3年已发34篇Nature/Science

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”。

2004年末，Science杂志一篇题为“Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films”的论文上线，上线的当月，这篇论文的全文下载次数为1390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2004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2018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！

2007年，新加坡国立大学的Antonio Castro Neto（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。

2010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。

2011年，来自得克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家Allan MacDonald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（moiré cell）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，Allan MacDonald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(magic angle)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Philip Kim（Pablo Jarillo-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关注这项成果。

我们的主角此刻应该出场了，不过，还有一个餐前甜点需要点一下。

2017年，哈佛大学的Efthimios Kaxiras团队通过详细的量子力学计算来尽可能的减少石墨烯两层之间扭转角的不确定性，因为这种不确定性可能导致电子在这个二维系统中的反常行为。这项成果首次提出“twistronics”，将扭转导致的奇异物理现象推广至更广的二维材料系统。

当大多数人对魔角石墨烯的实验不抱希望的时候，Pablo Jarillo-Herrero并没有随波逐流。其实，在那篇PNAS报道之前，他已经开始了实验方面的探索，但一直没有实质性的进展。因为当你想将两层石墨烯偏离一定微小的角度时，它们本能的有恢复重合的趋势，因此，这似乎是一项不可能完成的任务。当然，这个“两层”的石墨烯还必须是近乎完美的高质量样品，听起来都觉得不可思议。

2017年，博士生曹原将制备好的石墨烯基电学测试器件呈现在导师Pablo Jarillo-Herrero面前。当他们将电场增加到一定数值时，扭转双层石墨烯转变为绝缘体，此时，他们尝试继续增大电场，超导就奇迹般的出现了！经过半年的多次重复实验，2018年3月，两篇“背靠背”的成果引爆了学术圈。

不过，两篇成果的提交时间其实不同，关联绝缘行为的提交日期是2017年10月6日，接收日是2018年2月21日，经历的应该是正常的同行评议流程。而非常规超导行为的提交日期是2018年2月5日，21天后即被接收。Pablo Jarillo-Herrero在论文接收后，将通知邮件发给了Allan MacDonald，他收到邮件后，觉得这项成果简直令人难以置信！

随后的故事，就是大家都知道的一系列重磅成果的不断迸发了。

2019年，Pablo Jarillo-Herrero曾指出，当时差不多有30个组在跟进，2021的时候可能会有100个组！记得当“魔角石墨烯”首次出镜在美国物理学会的春季会议上，他作报告的房间内外站满了观众，堪比学术追星现场，很多人只是想一撇转角世界的魔法，因为它足够吸引人。

下面这个视频直观的展现了不同角度扭转下的石墨烯变化：

视频源：@ Pmende

三、转角为何惊艳？

关于超导，有太多值得叙述的历史，它的发展就像是人类追求终极梦想的旅程，纵使一路荆棘，却依旧坚守初心。自1911年超导现象发现以来，这110年的旅程里一共获得了10个诺贝尔奖，因为实现室温下的超导将极大促进电力、电子以及电磁等领域的发展或者颠覆性变革。这一点，应当是公认的。

但超导发展的漫漫旅途走到今天，依旧有无数朵乌云不肯散去。其中的一朵就是非常规超导体的物理起源与机制，它无法用经典的BCS理论解释。 而石墨烯这个具有简单组成的体系迸发出了非常规超导的光芒，自然而然会成为凝聚态物理的宠儿。

因为物理学最怕“复杂体系”，一直在遵循“简单”，尽可能减少其他因素的干扰，将有利于看到现象背后普适的物理机制。铜氧化物作为明星的非常规超导体，但其组成并不简单，因此，背后的物理机制始终难以清晰、明确的呈现。这就是为什么魔角石墨烯一出，竞相追逐的原因。

通过检索两大顶级期刊（Nature和Science），我们发现，围绕魔角石墨烯和莫尔超晶格的研究一共发表了28篇Nature和6篇Science论文（此数据经过手动计算，如有误差敬请见谅）。

那么，这3年来，围绕魔角石墨烯的整体论文发表情况又是怎样的呢？

图1 魔角石墨烯论文年度发文量

图1显示了这三年来的发文情况，尽管对于石墨烯这样一个热门话题而言，这个方向的年度发文总量并不算多。但年均增长速度达到了2倍，可见其发展速度之快。随着研究的不断扩展，未来应该还有更多的工作出炉。

图2 魔角石墨烯论文国家和地区分布

国际论文分布方面（图2），作为该领域的原创国家，美国当仁不让的占据了第一。但后来居上的中国、日本也不甘示弱，欧洲几个国家的发文总和也不能小觑。从这个数据来看，美欧是这一领域重要的推动者，从2011年那篇重要的理论成果发端，经过10年的发展，一个新兴领域已经屹立在石墨烯王国。

图3 魔角石墨烯发表期刊分布

发表期刊的分布则具有非常明显的学科属性（图3），从最早的PRL提出概念，到随后几篇PRB的一步一步摸索，凝聚态理论成果的概念最终经过大量科学家的探索终于将不可能变成可能。值得注意的是美国物理学会的新创开源期刊PRR在这一领域也贡献了不少成果，此外，中国期刊CPB也有少量文章发表。

最为有趣的是Nature和Science两大期刊，不知是对当年错失诺奖论文遗憾的弥补，还是其他原因，Nature贡献了这个方向的28篇（其中几篇刚发表的还未被SCI收录）成果，远超Science。

图4 魔角石墨烯已发表论文关键词密度图

最后，我们看看这些发表论文的关键词密度图（图4），主要的研究都是围绕其电子关联行为展开。作为研究强关联电子、超导和奇异凝聚态物理现象的新平台，前期围绕其多重结构变化、电子能带、相变等新物理效应，必将有一系列成果诞生，而且都是密切相关的逐步深化式研究，这也解释了为什么很多很相近的成果被不同的组接连报道。

四、转角遇到中国少年！

最后，我们当然需要聊聊那位中国少年，曹原。目前为止，他全部成果包括8篇Nature和2篇Science，其中的多篇是第一作者+通讯，或者共同第一作者。作为参与作者的论文也是紧密围绕超导等强关联体系展开。从成果的集中度来看，非常“专注”。

具体列表如下：

Nature

1. 2018-03-05(第一+通讯) 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+通讯) 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+通讯) Tunable strongly coupledsuperconductivity in magic-angle twisted trilayer graphene

7. 2021-03-31(共一+通讯)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+通讯)Nematicity and competing orders in superconducting magic-angle graphene

关于曹原在这一领域的个人贡献，可能他博士论文里的某些表述更具有价值。

图5 两种制备方案（图源：曹原博士论文）

在实验部分，他把如何制备魔角石墨烯器件的流程、注意事项，以及自己开发两种制备策略时的探索心得一并呈现。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.”尽管字数有限，或者在外行看来似乎是“没那么困难”，但解决这个重要难题时的个人心路历程，可能我们每个人都无法体会。他的成功可以说是导师对方向的慧眼与坚守+学生的聪慧与开拓的典范。从大学时就开始涉足石墨烯超晶格的理论工作，到最后一步一步完成个人学术阶梯的逐级递进。在凝聚态实验物理领域，解决了样品的器件制备，加上已有的成熟测试平台，那么，可以做的工作实在太多。但，很多人可能提前就在第一步下车，或者很多人在第二步没捕捉到“奇异”的物理。能同时做到两者的，才更有可能离有趣的物理更进一步。

最后，借用国外科技媒体Seeker关于魔角石墨烯的介绍中的一句话结尾：

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

本文由Free-Writon供稿。