平面世界中的奇异物理学

将两层石墨烯压在一起，错开一个特定的角度，奇迹就会发生。

2018年3月，美国物理学会在洛杉矶会议中心举行年会。会议开到半途突然宣布，麻省理工学院的物理学家巴勃罗·亚里略-赫雷罗有重要事情要报告。

会议厅里挤满了人。亚里略-赫雷罗的报告是关于石墨烯的。石墨烯是仅有一个原子厚的单层石墨，因其优异的特性，自发现以来一直是热门的研究材料。被全世界的科学家研究了这么多年的东西，难道你还能玩出什么新花样吗?大家在听报告的时候都带着这个疑问。

石墨烯的事情都这么简单!

没错，亚里略-赫雷罗的确玩出了新花样。他和他的同事刚刚发现，当把两片石墨烯叠在一起，将其中一片相对于另一片旋转，以一定的角度错开之后，就可以使这种材料在绝缘体和超导体之间自由切换!

实验是如此简单，把在场的人震惊了。我们知道，14年前物理学家已经被震惊过一次。当时，全世界的科学家都想获得石墨烯，他们想尽了办法，用刀切、用机器磨、用化学合成……都没有成功，倒是英国物理学家安德烈·盖姆用普通透明胶在石墨上轻轻一粘，事就成了。

今天，距亚里略-赫雷罗的那场报告又过去5年了。在那之后，全世界再次兴起“石墨烯热”。这一领域已经发展成一门叫“扭转电子学”的新兴学科。扭转电子学研究分层的材料中当层与层之间扭转一定的角度之后表现出来的奇异特性。譬如，扭转的石墨烯层就产生了各种奇异的量子效应。

石墨烯上游荡的电子

分层材料在层与层之间错位之后能改变其特性，基于这样一个事实：原子的排列深刻地决定着材料的性质。

譬如，一种材料是否能导电，源于其原子中的电子是如何围绕其原子核分布的。广义上讲，在很多材料中，相邻原子的最外层电子分布是重叠的，最外层电子可以在重叠区自由移动。这样，A原子的最外层电子可以移动到B原子;如果B原子与C原子又有重叠区，那么这个电子还可以移动到C原子……如此一来，这些重叠区在整个材料中形成一条扩展的“能带”。

在导电材料中，能带可以容纳大量电子，因此电子是可以流动的：施加电压，它们可以在电极之间产生电流。在绝缘体中，能带完全被电子所充满。因此，电子就像拥挤的房间里的人群一样，没有移动的自由。

在单层石墨烯中，碳原子被连接成蜂窝状的六边形晶格，电子可以在能带中自由游荡，这使它们具有超强的移动性。事实上，如果单层石墨烯没有任何缺陷，理论上电子几乎可以接近光速移动。

但是，如果你拿两层石墨烯叠在一起，一层石墨烯中的电子除了可以在本层移动，还会通过量子隧道效应(见小贴士：量子隧道效应)，移动到另一层，所以它们差不多是在两层石墨烯之间跳来跳去。如果将其中一层相对于另一层进行扭转或旋转，你还可以改变电子的移动方式。

当电子减速后

当你将两层石墨烯错开之后，尽管上边的格子就不再与下边的格子对齐，但是上下格子依然会在更大范围内形成一种重复的图案。同样的效果在纺织品中很常见。在那里，两块网眼相同的布(颜色可以不一样)，错开一定角度，就会形成一个叫“摩尔纹”的更大图案。在这里我们也不妨借用这个说法，称之为“摩尔晶格”。对于石墨烯中的电子来说，它们的行为不再仅仅受到碳原子晶格的影响，而且还受到摩尔晶格的影响，摩尔晶格会影响它们在层间移动的容易程度。其结果是，电子可以急剧减速。

减速会产生什么结果呢?当电子移动得非常快时，它们几乎没有时间进行互动;但当它们放慢速度时，情况就不同了，现在它们有时间互动了。如果相互作用强烈，它们的运动就会变得对彼此非常敏感，用术语说，它们变得“高度相关”——这正是事情开始变得有趣的地方。

以超导电性为例。在导体中，电子彼此不相关，它们在移动时各自要受到晶格原子的散射，由此形成电阻;而在超导体中，电子之间的相互作用可以使一对电子协调行动，从而规避晶格原子的散射，这样可以让电阻降为零。

一对(或一群)高度相关的粒子，其行为就像一个全新的粒子，这在物理学上叫“准粒子”。“准”就是“类似”的意思。准粒子的表现可以跟真实粒子完全不同。超导体中的电子对就是准粒子的一个典型例子。

石墨烯的魔角效应

因此，如果你要寻找材料的有趣特性，你当然希望电子是高度相关的，而平面材料是你最好的选择。因为电子不相关是常态，相关多半是“被逼的”;而在三维材料中，电子的运动多了一个维度，多一个维度就多一条“出路”，不容易强迫它们产生相关性。所以在诸如石墨烯这样接近二维的薄片状导体中，电子更有可能产生相关性。

当然，也并非把两层石墨烯随意叠在一起，就能发生奇迹。实验证明，只有当两层石墨烯格与格完全对齐之后，再让其中一层旋转大约错开1.1°，并把温度降到大约2K的时候，神奇的效应才会产生：这个时候，对双层石墨烯施加一个较低的电压，原本是电的良导体的石墨烯就变成了理想的绝缘体;可是施加的电压略微升高，它又跃变成了一个超导体。这个1.1°的夹角，被称为“魔角”。这样的效应被称为“魔角效应”。以这样的角度重叠的两层石墨烯，被称为“魔角石墨烯”。

“魔角效应”令物理学家们异常兴奋。试想，两片石墨烯能产生如此神奇的效果，有什么理由不去尝试三片、四片……更多片石墨烯，或者在石墨烯层中插入其他材料的效果呢?

量子隧道效应

这是微观粒子穿越障碍的一种神奇本领。

先打个比方。你现在要骑车越过一个山头。在上坡前，你必须使劲蹬踏板，让自行车获得更大的动能，以便克服山坡的势能，才能翻过山头。我们可以把山坡看成一个势垒，你必须让你的动能超过势垒最高点的势能，否则你永远翻不过去。但是在量子物理学中，奇妙的是，一个微观粒子哪怕动能不足以克服势垒，依然有一定的概率克服势垒，就好像它挖了一条隧道，穿过去一样。这叫“量子隧道效应”。

原子核的α衰变就是一个典型的例子：困在原子核中的α粒子，它的能量不足以克服核力的势垒，按经典物理学的观点，它是出不来的，但微观粒子服从量子规律，所以通过量子隧道效应，它还是有一定的概率跑出原子核，导致原子核衰变。