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年3月6日，Nature背靠背连刊两文，报道了魔角扭曲双层石墨烯的重大发现。其第一作者，正是学界的少年新星曹原。该研究的巨大影响力，令曹原直接被列入Nature当年评选的十大科学人物。本次，NSR邀请到了两位魔角石墨烯领域的顶级专家进行访谈，他们分别是麻省理工学院的实验物理学家PabloJarillo-Herrero，以及德克萨斯大学奥斯汀分校的理论物理学家AllanMacDonald。其中Jarillo-Herrero正是曹原的导师，他高度评价了曹原的成就，称“从他身上学到的东西和他从我身上学到的东西一样多”，而本篇也将围绕魔角扭曲双层石墨烯，来谈谈曹原是如何”扭成的“。

背景介绍

石墨烯是石墨的组成部分，由一个碳原子与周围三个邻近碳原子结合形成，它是含有六边蜂窝网状结构的碳原子单层，厚度等同于一个碳原子。单层石墨烯的存在已被预测几十年，也曾在其他材料表面成功生长，但学界对石墨烯研究兴趣的爆发却是在年，因为该年人们才首次发现石墨烯可以通过机械方式从石墨薄片中分离出来（机械剥离法）。

石墨烯经常被描述为一种透明、导电性优良又极其柔韧的神奇材料。但有人感兴趣一些更根本的问题。作为二维导体材料，石墨烯表现出异乎寻常的电子特性、磁特性，在量子限制效应、电子间相互作用等方面有巨大研究价值，在电子元件、设备等领域有着应用前景。年的诺贝尔物理学奖被授予给了英国曼彻斯特大学的AndreGeim和KonstantinNovoselov两位教授，表彰他们在石墨烯研究领域的杰出贡献。

当两个石墨烯片层足够靠近以发生相互作用时，其奇妙特性会进一步放大。尤其引人注目的是，石墨烯表现出的电子特性可能取决于石墨烯片层的相对角度，即两层蜂窝网状晶格之间的的对齐程度。堆叠在一起的两个蜂窝网状晶格可能会产生一种“超晶格”结构：晶格间在某些特定角度配合后呈现出的规律性更为显著，甚至强于晶格间距所带来的影响。这就是人们所熟知的“莫尔效应”——从远处看两个间隔很近的网格状栅格时就能观察到这种光学现象。

实验探索这种“扭曲双层石墨烯(twistedbilayergraphene,TBG)”的电子特性要求能够精确地控制两个石墨烯片层的位置和角度。这些现象现在也被认为普遍存在于其他二维材料中，例如六方氮化硼(h.BN)片。这些研究开辟了凝聚态物理研究的一方沃土，而某些特定的扭转角度的“魔角双层石墨烯(magic-angletwistedbilayergraphene,MATBG)”，其表现出的神奇电子特性则更是引人入胜。

PabloJarillo-Herrero的小组率先制造了魔角石墨烯材料AllanMacDonald是最先理论预测魔角存在的科学家之一NSR：是怎样在扭曲双层石墨烯中发现异常电子行为的？这些效应在发现之前是否曾被理论预测过？PJ-H：从年左右就有许多理论小组开始研究扭曲双层石墨烯。到了年底，EvaAndrei的团队报告了使用扫描隧道显微镜(STM)对扭曲双层石墨烯的研究[G.Lietal.,NatPhys;6:]。他们观察到数据中的峰值似乎在随着扭转角发生变化，而该峰值被视作是范霍夫奇点(vanHoveSingularities)的电子结构所表现的特征（范霍夫奇异峰）。特别是，对于1.16°左右的扭转角，两个范霍夫峰的峰间距接近于零。大约同一时间，另两个小组在极小角度下研究了扭曲双层石墨烯：智利的EricSuárezMorell团队[E.S.Morelletal.,PhysRevB;82:]和美国RafiBistritzer与AllanMacDonald的团队[R.BistritzerandA.MacDonald,ProcNatlAcadSciUSA;:]。两个小组都预测了扭曲双层石墨烯在1.1至1.5°的角度存在扁平电子带。Bistritzer和MacDonald创造了“魔角”一词，指费米能级的电子速度变为零时的角度（费米能级是绝对零度下电子所能够占据的最高能级）。我们团队在年左右开始研究扭曲双层石墨烯。年，我们发现扭曲角为1.8°的扭曲双层石墨烯已经对电子结构产生有趣的影响——费米能级的电子速度大大降低了,这与理论计算的相一致[Y.Caoetal.,PhysRevLett;:]。这就是促使我们继续致力于减小扭转角，并研发扭转角接近1.1°的设备的原因。年，我们成功制造了几款扭转角在1到1.2°范围内的仪器。透过这些器件，我们有了两个意想不到的发现。首先，当电荷密度被调制到每个莫尔晶格中的特定电子数或空穴数时，魔角石墨烯会因某种效应而成为绝缘体[Y.Caoetal.,Nature;:80]；其次，如果你对材料进行掺杂，从而增加一点额外电荷密度，那么魔角石墨烯就会成为一种可被电场调控的超导体，并获得最高的临界温度与费米温度之比[Y.Caoetal.,Nature;:43]。这些特性令人联想到其他强相关量子材料和超导体。但现在，我们想获得同样的结果却如此简单——只需将两层石墨烯旋转到一个精确的角度，并且具有如此程度的可调控性。这也是我们的发现引起广泛

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