在過去的三年裏，電子一直在捉弄物理學家。

這個(ge) “遊戲”始於(yu) 2018年：當研究人員將一張碳原子薄片疊在另一張碳原子薄片上，在它們(men) 之間施加1.1度的“神奇”旋轉，然後將原子晶圓冷卻到接近絕對零度時，這個(ge) 樣品就變成了一個(ge) 完美的電子導管。

這些粒子是如何完美地穿過石墨烯薄片的呢？由傾(qing) 斜角度產(chan) 生的千變萬(wan) 化的錯落圖案似乎是關(guan) 鍵所在，但沒有人確切知道。為(wei) 了找到答案，研究人員開始扭曲和堆積他們(men) 能得到的所有材料。

一次又一次的實驗發現，在一係列扁平材料中，低溫會(hui) 導致電阻驟然下降。人們(men) 對理想導電所需條件的更深刻理解已經近在咫尺，隨之而來的是朝著電子革命邁出了誘人的一步。

不管你觀察的是什麽(me) 係統，超導似乎無處不在——華盛頓大學的凝聚態物理學家馬修·揚科維茨（Matthew Yankowitz）。

當研究人員更仔細地檢查樣本時，超導性消失了。在一些材料中，電阻實際上並沒有降到零。在另一些實驗室，不同的測試產(chan) 生了相互矛盾的結果。隻有在最初的雙層石墨烯中，電子才有規律地實現無摩擦流動。

世界上有各種各樣的扭曲材料，而扭曲雙層石墨烯是唯一一種明顯是超導體(ti) 的材料。

在過去的一個(ge) 月裏，發表在《自然》和《科學》雜誌上的兩(liang) 篇論文描述了另一種超導體(ti) ——三層石墨烯，上下片對齊，中間片旋轉1.56度。毫無疑問，扭曲的三層石墨烯攜帶電子的能力證實了雙層係統並非偶然。

重要的是，這種三層石墨烯超導闡明了一種潛在的機製，它可能是這些材料超導性的動力來源。

在2018年發現雙層扭曲石墨烯超導後的幾個(ge) 月裏，一些理論家對雙層石墨烯超導的機製感到困惑。他們(men) 懷疑，一種特殊的幾何特征可能會(hui) 讓電子以一種全新的方式旋轉進入奇異的大漩渦。這種機製不同於(yu) 任何已知的超導機製，它可以解釋雙層石墨烯的超導為(wei) 何成功，以及其他材料的超導為(wei) 何失敗。它還預測，三層石墨烯也將具有超導性。

三個奇跡

在一個(ge) 充滿摩擦和粒子從(cong) 不靜止的混亂(luan) 世界裏，像超導這樣完美的現象是沒有權利存在的。然而，海克·卡默林·昂尼斯（Heike Kamerlingh Onnes）在20世紀初偶然發現，像汞這樣的日常金屬經常在低溫下具有非凡的導電性。

秘密在於(yu) ，在接近絕對零度時，金屬原子晶格的振動會(hui) 引導自由電子成對，在沒有“單一電子—原子碰撞”的情況下流過材料（這將產(chan) 生熱和電阻），形成了一個(ge) 統一的量子力學“超流體(ti) ”。最早的超導理論是在1957年發展起來的，它把超導描述為(wei) 一種微妙的電子舞蹈，除了最理想的環境之外，任何環境都會(hui) 破壞它。

它們(men) 能成雙成對簡直是個(ge) 奇跡，因為(wei) 電子之間的相互排斥非常強烈。——哈佛大學的理論物理學家阿什文·維什瓦納特（Ashvin Vishwanath）

1986年，研究人員捕捉到了電子，創造了第二個(ge) 奇跡，這一次是在一種被稱為(wei) 銅酸鹽的銅化合物中。這種材料能夠以某種方式保持超導性，其溫度比通常分離常規電子對的溫度高出幾十度。一種新的機製似乎被發現了，它可能主要涉及電子本身，而不是它們(men) 的原子結構。

但經過幾十年的密集研究，研究人員仍然不確定銅中的電子是如何無障礙流動的。預測電子集體(ti) 的行為(wei) 需要對每個(ge) 粒子對其他粒子的影響進行蠻力計算——這種計算的複雜性隨著電子的數量呈指數增長。為(wei) 了理解超導體(ti) ，理論家們(men) 需要掌握數以萬(wan) 億(yi) 計的電子群的行為(wei) （目前的模擬可以處理大約12個(ge) ）。

扭曲的雙層石墨烯的獨特特征使它比銅更透明。比起鍛造一種全新的物質，實驗人員隻需要一個(ge) 電場就可以調整石墨烯的屬性。同時也提供了理論指導。在精確的1.1度的神奇角度下，石墨烯的蜂蜂窩晶格以這樣一種方式融合，使得原本活躍的電子慢得像爬行一樣——物理學家將這種材料描述為(wei) “平坦帶”（flat bands）。

但指導方針是模糊的。在具有平坦帶的材料中，電子可以以多種方式相互作用，形成超導對隻是其中之一。

旋轉斯格米子（Skyrmions）

在2018年3月發現扭曲石墨烯的超導性後不久，維什瓦納特（Vishwanath）和他的同事開始試圖揭開這個(ge) 神奇角度的秘密，並理解是什麽(me) 可能把電子綁在一起。

完全捕捉到雙層石墨烯中電子的運動是不可能的，所以理論家們(men) 首先將石墨烯的六邊形晶格視為(wei) 兩(liang) 個(ge) 三角形的子晶格。當電子從(cong) 一個(ge) 原子移動到另一個(ge) 原子時，它們(men) 通常會(hui) 跳到相反柵格上的一個(ge) 原子上。偶爾，一個(ge) “叛逆者”會(hui) 跳到同一個(ge) 網格上的原子上。

• 石墨烯的柵格：石墨烯的碳原子形成一個扁平的六邊形柵格。為了更好地模擬電子的運動，研究人員將這個網格分成兩個三角形網格。

這個(ge) 選擇使六邊形網格分割成三角形網格在數學上更簡單。而在雙層石墨烯中，有兩(liang) 層石墨烯，它具有一個(ge) 重要的特征：電子在受到這種約束時，開始像在磁場的影響下一樣移動。具體(ti) 地說，一個(ge) 子晶格上的電子似乎“感覺”到一個(ge) 正磁場，而另一個(ge) 子晶格上的電子感覺到一個(ge) 負磁場。理論家們(men) 並沒有完全認識到這一點，但超導新理論的關(guan) 鍵就擺在他們(men) 麵前。

2018年8月，維什瓦納特利用該理論推導出雙層石墨烯1.1度的魔法角度後，開始研究更多層的石墨烯。這一理論原本隻適用於(yu) 兩(liang) 層，但在新結構上的應用效果遠遠好於(yu) 預期。他們(men) 發現，他們(men) 可以用簡單的比例計算出一個(ge) 又一個(ge) 石墨烯堆疊的神奇角度，這些比例似乎不受石墨烯層數的影響。

隨著研究小組進一步探索，在理論中加入更多現實細節，超導現象出現了，但卻是以一種全新的方式出現的。也許形成的不是成對的電子，而是被稱為(wei) “虛子”的電子風暴。由於(yu) 雙層石墨烯有兩(liang) 層，它有四個(ge) 子晶格，但具有相同磁荷的子晶格作為(wei) 一個(ge) 。有效的磁場使得一個(ge) 柵極上的電子指向上，而另一個(ge) 柵極上的電子指向下。這種結構可以把電子鎖定在適當的位置，使係統表現得像一個(ge) 絕緣體(ti) 。奇怪的是，用銅和扭曲的雙層石墨烯做的實驗表明，這兩(liang) 種材料在開始超導之前就像絕緣體(ti) 一樣。

但是，如果你用額外的電荷破壞了平衡，每個(ge) 子晶格上的電子就會(hui) 呈現出集體(ti) 的渦旋模式。

盡管數千個(ge) 電子可以進入一個(ge) 石墨烯斯格米子，但渦旋的作用就好像是一個(ge) 帶一個(ge) 電子的粒子。你可能會(hui) 認為(wei) 負的斯格米子會(hui) 相互排斥，但控製電子如何在兩(liang) 個(ge) 子晶格之間跳躍的量子力學規則實際上把斯格米子放在了相反的柵格上。換句話說，它們(men) 形成了類電子電荷對——這是超導性的基本要求。

斯格米子的關(guan) 鍵是180度旋轉對稱，它決(jue) 定了電子在三角形子晶格之間的轉移。一個(ge) 矩形也有同樣的對稱性，一個(ge) 六邊形也有，一個(ge) 矩形或六邊形晶格也有。但將石墨烯以外的任何物質的薄片堆疊和扭曲會(hui) 破壞這種對稱性。

了解亞(ya) 原子水平材料內(nei) 部的情況是很困難的，現在就說斯格米子是否確實在多層石墨烯中進行超導還不確定。與(yu) 標準的電子對不同，斯格米子對結合緊密，具有高效的超導性。合成的物體(ti) 也很大，並且擠在一起。在標準金屬中，如果你讓電子進入一種它們(men) 可以從(cong) 多種可能的活動中選擇的狀態，你通常會(hui) 得到最強的超導性。但當研究人員讓電子在三層係統中自由發揮時，超導性就消失了。

研究人員希望，對扭曲的石墨烯以及解釋其奇特特性的理論的進一步研究，能夠提煉出其強大的超導性的本質，並為(wei) 研究一種能吸收更多熱量的晶格指明方向。



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