石墨烯的最新研究揭示了超导的秘密，电子革命迈出了关键一步
在过去的三年里，电子一直在捉弄物理学家。
这个“游戏”始于2018年：当研究人员将一张碳原子薄片叠在另一张碳原子薄片上，在它们之间施加1.1度的“神奇”旋转，然后将原子晶圆冷却到接近绝对零度时，这个样品就变成了一个完美的电子导管。
这些粒子是如何完美地穿过石墨烯薄片的呢？由倾斜角度产生的千变万化的错落图案似乎是关键所在，但没有人确切知道。为了找到答案，研究人员开始扭曲和堆积他们能得到的所有材料。
一次又一次的实验发现，在一系列扁平材料中，低温会导致电阻骤然下降。人们对理想导电所需条件的更深刻理解已经近在咫尺，随之而来的是朝着电子革命迈出了诱人的一步。
不管你观察的是什么系统，超导似乎无处不在——华盛顿大学的凝聚态物理学家马修·扬科维茨（Matthew Yankowitz）。
当研究人员更仔细地检查样本时，超导性消失了。在一些材料中，电阻实际上并没有降到零。在另一些实验室，不同的测试产生了相互矛盾的结果。只有在最初的双层石墨烯中，电子才有规律地实现无摩擦流动。
世界上有各种各样的扭曲材料，而扭曲双层石墨烯是唯一一种明显是超导体的材料。
在过去的一个月里，发表在《自然》和《科学》杂志上的两篇论文描述了另一种超导体——三层石墨烯，上下片对齐，中间片旋转1.56度。毫无疑问，扭曲的三层石墨烯携带电子的能力证实了双层系统并非偶然。
重要的是，这种三层石墨烯超导阐明了一种潜在的机制，它可能是这些材料超导性的动力来源。
在2018年发现双层扭曲石墨烯超导后的几个月里，一些理论家对双层石墨烯超导的机制感到困惑。他们怀疑，一种特殊的几何特征可能会让电子以一种全新的方式旋转进入奇异的大漩涡。这种机制不同于任何已知的超导机制，它可以解释双层石墨烯的超导为何成功，以及其他材料的超导为何失败。它还预测，三层石墨烯也将具有超导性。
三个奇迹
在一个充满摩擦和粒子从不静止的混乱世界里，像超导这样完美的现象是没有权利存在的。然而，海克·卡默林·昂尼斯（Heike Kamerlingh Onnes）在20世纪初偶然发现，像汞这样的日常金属经常在低温下具有非凡的导电性。
秘密在于，在接近绝对零度时，金属原子晶格的振动会引导自由电子成对，在没有“单一电子—原子碰撞”的情况下流过材料（这将产生热和电阻），形成了一个统一的量子力学“超流体”。最早的超导理论是在1957年发展起来的，它把超导描述为一种微妙的电子舞蹈，除了最理想的环境之外，任何环境都会破坏它。
它们能成双成对简直是个奇迹，因为电子之间的相互排斥非常强烈。——哈佛大学的理论物理学家阿什文·维什瓦纳特（Ashvin Vishwanath）
1986年，研究人员捕捉到了电子，创造了第二个奇迹，这一次是在一种被称为铜酸盐的铜化合物中。这种材料能够以某种方式保持超导性，其温度比通常分离常规电子对的温度高出几十度。一种新的机制似乎被发现了，它可能主要涉及电子本身，而不是它们的原子结构。
但经过几十年的密集研究，研究人员仍然不确定铜中的电子是如何无障碍流动的。预测电子集体的行为需要对每个粒子对其他粒子的影响进行蛮力计算——这种计算的复杂性随着电子的数量呈指数增长。为了理解超导体，理论家们需要掌握数以万亿计的电子群的行为（目前的模拟可以处理大约12个）。
扭曲的双层石墨烯的独特特征使它比铜更透明。比起锻造一种全新的物质，实验人员只需要一个电场就可以调整石墨烯的属性。同时也提供了理论指导。在精确的1.1度的神奇角度下，石墨烯的蜂蜂窝晶格以这样一种方式融合，使得原本活跃的电子慢得像爬行一样——物理学家将这种材料描述为“平坦带”（flat bands）。
但指导方针是模糊的。在具有平坦带的材料中，电子可以以多种方式相互作用，形成超导对只是其中之一。
旋转斯格米子（Skyrmions）
在2018年3月发现扭曲石墨烯的超导性后不久，维什瓦纳特（Vishwanath）和他的同事开始试图揭开这个神奇角度的秘密，并理解是什么可能把电子绑在一起。
完全捕捉到双层石墨烯中电子的运动是不可能的，所以理论家们首先将石墨烯的六边形晶格视为两个三角形的子晶格。当电子从一个原子移动到另一个原子时，它们通常会跳到相反栅格上的一个原子上。偶尔，一个“叛逆者”会跳到同一个网格上的原子上。
- 石墨烯的栅格：石墨烯的碳原子形成一个扁平的六边形栅格。为了更好地模拟电子的运动，研究人员将这个网格分成两个三角形网格。
这个选择使六边形网格分割成三角形网格在数学上更简单。而在双层石墨烯中，有两层石墨烯，它具有一个重要的特征：电子在受到这种约束时，开始像在磁场的影响下一样移动。具体地说，一个子晶格上的电子似乎“感觉”到一个正磁场，而另一个子晶格上的电子感觉到一个负磁场。理论家们并没有完全认识到这一点，但超导新理论的关键就摆在他们面前。
2018年8月，维什瓦纳特利用该理论推导出双层石墨烯1.1度的魔法角度后，开始研究更多层的石墨烯。这一理论原本只适用于两层，但在新结构上的应用效果远远好于预期。他们发现，他们可以用简单的比例计算出一个又一个石墨烯堆叠的神奇角度，这些比例似乎不受石墨烯层数的影响。
随着研究小组进一步探索，在理论中加入更多现实细节，超导现象出现了，但却是以一种全新的方式出现的。也许形成的不是成对的电子，而是被称为“虚子”的电子风暴。由于双层石墨烯有两层，它有四个子晶格，但具有相同磁荷的子晶格作为一个。有效的磁场使得一个栅极上的电子指向上，而另一个栅极上的电子指向下。这种结构可以把电子锁定在适当的位置，使系统表现得像一个绝缘体。奇怪的是，用铜和扭曲的双层石墨烯做的实验表明，这两种材料在开始超导之前就像绝缘体一样。
但是，如果你用额外的电荷破坏了平衡，每个子晶格上的电子就会呈现出集体的涡旋模式。
尽管数千个电子可以进入一个石墨烯斯格米子，但涡旋的作用就好像是一个带一个电子的粒子。你可能会认为负的斯格米子会相互排斥，但控制电子如何在两个子晶格之间跳跃的量子力学规则实际上把斯格米子放在了相反的栅格上。换句话说，它们形成了类电子电荷对——这是超导性的基本要求。
斯格米子的关键是180度旋转对称，它决定了电子在三角形子晶格之间的转移。一个矩形也有同样的对称性，一个六边形也有，一个矩形或六边形晶格也有。但将石墨烯以外的任何物质的薄片堆叠和扭曲会破坏这种对称性。
了解亚原子水平材料内部的情况是很困难的，现在就说斯格米子是否确实在多层石墨烯中进行超导还不确定。与标准的电子对不同，斯格米子对结合紧密，具有高效的超导性。合成的物体也很大，并且挤在一起。在标准金属中，如果你让电子进入一种它们可以从多种可能的活动中选择的状态，你通常会得到最强的超导性。但当研究人员让电子在三层系统中自由发挥时，超导性就消失了。
研究人员希望，对扭曲的石墨烯以及解释其奇特特性的理论的进一步研究，能够提炼出其强大的超导性的本质，并为研究一种能吸收更多热量的晶格指明方向。