2018年，魔角石墨烯橫空出世！
堆疊在一起的兩片單層石墨烯，以1.1°的角度旋轉(zhuǎn)，會形成大量莫爾超晶格。通過將成千上萬的原子聚集在一起，莫爾圖案像超級原子一樣可以統(tǒng)一發(fā)揮作用。施加電場后，一定數(shù)量的電子能夠集體行動，使導(dǎo)體變成絕緣體，然后突然變成超導(dǎo)體。
這一發(fā)現(xiàn)，堪稱魔幻！
在超導(dǎo)體一百多年的逐夢征程中，魔角石墨烯的出現(xiàn)，不可謂不是一劑強(qiáng)心針。3年以來，魔角石墨烯已經(jīng)吸引了全世界科學(xué)家的關(guān)注，一時風(fēng)光無兩。
自從發(fā)現(xiàn)魔角石墨烯以來，來自MIT的Pablo Jarillo-Herrero教授和他的學(xué)生曹原博士等人，以及全球數(shù)十個頂級研究團(tuán)隊，一直在深入理解其中的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)更多新奇的物理現(xiàn)象，并不斷探索其應(yīng)用的可能性。
新征程
魔角石墨烯最為人稱道之處，就在于其在超導(dǎo)領(lǐng)域的神奇；最令人神往之處，也在于超導(dǎo)電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用。
近日，來自MIT的Pablo Jarillo-Herrero、曹原團(tuán)隊，來自瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Klaus Ensslin團(tuán)隊，各自獨立在arXiv預(yù)印本上發(fā)布了他們關(guān)于魔角石墨烯集成到量子計算機(jī)中的超導(dǎo)開關(guān)的最新成果，這表明魔角石墨烯已經(jīng)發(fā)展成為一種能夠捕獲和控制單個電子和光子的基礎(chǔ)科學(xué)工具，昭示著魔角石墨烯在超導(dǎo)電子器件的道路上，邁出了關(guān)鍵的一步。Science對此突破性進(jìn)展，進(jìn)行了深度報道，稱其為魔角石墨烯的“next trick”。
常規(guī)的約瑟夫森結(jié)（Josephson Junctions）是超導(dǎo)電子的主力軍，無論是用于監(jiān)視大腦中電活動的磁性設(shè)備，還是超靈敏磁力計，都少不了它們的作用。
兩個研究團(tuán)隊都建立了一種稱為約瑟夫森結(jié)的器件，在非超導(dǎo)材料薄層的側(cè)面構(gòu)建兩個超導(dǎo)體，從而形成一個可控制超導(dǎo)的閥門。研究表明，通過拍打金屬“門”的圖案，可以將所需的特性轉(zhuǎn)移到薄板的微小區(qū)域。隨著電場變化，這些金屬“門”會使不同的區(qū)域也隨之受到影響。Pablo Jarillo-Herrero/曹原團(tuán)隊則更進(jìn)一步，實現(xiàn)了將約瑟夫森結(jié)電轉(zhuǎn)化為其他亞顯微的小工具。
Klaus Ensslin認(rèn)為：“一旦證明這是可行的，整個世界都將被打開！”
Pablo Jarillo-Herrero則聲稱：“作為概念證明，這一研究將驗證魔角石墨烯作為一個材料研究平臺的普適性！”
通過對碳進(jìn)行調(diào)控，實現(xiàn)導(dǎo)體-絕緣體-超導(dǎo)體的巧妙轉(zhuǎn)變，研究團(tuán)隊能夠精準(zhǔn)測量電子對被緊密結(jié)合在一起的程度，這是材料超導(dǎo)的本征特性之一。Jarillo-Herrero團(tuán)隊還構(gòu)建了一個可以控制單電子運動的晶體管，基于這種單電子開關(guān)，可以進(jìn)一步使電路微型化并減少其能耗。
賦能量子計算機(jī)
魔角石墨烯的出現(xiàn)，讓科學(xué)家在探索新型電子器件的同時，不必再擔(dān)憂化學(xué)材料的限制，這已經(jīng)讓科學(xué)家興奮不已。在此之前，材料科學(xué)家通常必須找到各種具有不同原子特性的物質(zhì)并將其集成在一起，然而，不同的元素可能無法以所需的方式兼容以發(fā)揮理想的作用，一度讓科學(xué)家痛苦不已。
現(xiàn)在，在魔角石墨烯中，所有原子都是碳，消除了不同材料之間的混亂邊界。科學(xué)家們只需旋轉(zhuǎn)角度，就可以改變?nèi)魏谓o定的補(bǔ)丁部分的電子行為，這些優(yōu)勢賦予了科學(xué)家對材料前所未有的控制權(quán)。
這種精準(zhǔn)的控制，可以簡化量子計算機(jī)。
由Google和IBM開發(fā)的量子計算機(jī)主要依賴于Josephson結(jié)，這些結(jié)在制造過程中是固定的。要精準(zhǔn)操控量子位，必須以復(fù)雜繁瑣的方式共同操縱這些結(jié)。而使用魔角石墨烯，量子位可能來自更小且更易于控制的單個結(jié)。
除此之外，魔角石墨烯還可用于檢測單個紅外光子
2002年，雷神公司BBN Technologies量子計算團(tuán)隊成員Kin Chung Fong提出了一種魔角石墨烯器件，電流傳感器只能在可見光或近可見光部分發(fā)現(xiàn)孤立的光子，可以檢測單個紅外光子光子，這種設(shè)備可以幫助天文學(xué)家探測宇宙早期微弱的光。
道阻且長，未來可期
自從獲得諾獎的十多年來，石墨烯的生產(chǎn)已經(jīng)相對容易。然而，魔角石墨烯器件想要挑戰(zhàn)具有霸主地位的硅電子產(chǎn)品，至少在短期內(nèi)并不太可能實現(xiàn)，這主要是因為：
1）想要實現(xiàn)超導(dǎo)，必須將設(shè)備冷卻至極致低溫。
2）想要保持精確的扭曲角度很難，單層石墨烯容易起皺，從而破壞魔角。
旋轉(zhuǎn)扭曲技術(shù)領(lǐng)域仍處于起步階段，將雙層石墨烯的微觀晶格扭曲到魔角位置的繁瑣過程仍然需要相當(dāng)?shù)募记桑Ы鞘┑拇笠?guī)模制造工藝還在探索期。如果想要構(gòu)建一個真正復(fù)雜的器件，就必須構(gòu)建成千上萬的石墨烯襯底，而該技術(shù)目前并不存在。
無論如何，魔角石墨烯已經(jīng)在深刻地改變材料科學(xué)的世界。
或許，一個真正屬于石墨烯的時代，就要來臨！
參考文獻(xiàn)：
Charlie Wood. ‘Magic angle’ graphene's next trick: superconducting devices. Science 2002, 370, 897-898.
https://science.sciencemag.org/content/370/6519/897
