相信不少搞科研（搬磚）的小夥伴們最近又雙叒被大神曹原的新聞刷屏（深深刺激）了。猶記得，那是2018年的春天，彼時還沒有疫情肆虐，天才少年曹原以魔角（約1.1?）雙層石墨烯的工作在頂級期刊Nature上背靠背發表了兩篇文章，壹時驚艷了整個科研圈！
時隔兩年，少年還是從前那個少年：我壹篇Nature都不發，要發只發兩篇?
(鼓掌動圖)
2020年5月，曹原和他的導師及合作者在Nature上報道了轉角雙層-雙層石墨烯以及利用nano-SQUID（納米超導量子幹涉儀）表征轉角雙層石墨烯中角度非均壹性問題的兩項相關工作，將轉角電子學領域推向了又壹個高潮。
實際上，自2018年3月魔角雙層石墨烯問世以來，和轉角二維材料有關的科研工作至今已經有超過13項發表在Nature和Science兩大頂級期刊上了（預警提示：即將又有壹大波工作，正在Nature和Science發表的路上?）。
看著這些如潮水般的頂級科研工作，筆者忍不住想說，真香！
這魔角怎麽有這麽大的魔力？今天，筆者就和大家閑聊壹下?轉角?的各種?八卦?。
他研究的東西 妳也可以在家模擬？
首先，大家肯定都好奇，這些發表在頂級期刊上的工作，它們研究的究竟是神馬東西？
科學上的術語，稱呼為：摩爾超晶格。
摩爾超晶格本質上是兩套空間分布相近的格子疊加在壹起相互幹涉形成的壹套低頻、長周期的新格子。通俗地講，兩套格子在空間堆疊上，時而密集，時而稀疏，這種疏密的周期分布形成了所謂的摩爾條紋。
摩爾條紋在我們的日常生活中常常可以見到。例如，用手機拍攝電腦屏幕時，生成的照片上常常伴隨著肉眼可見的畸形條紋。這是因為電腦屏幕的發光元件陣列和手機攝像頭裏的CCD或CMOS感光元件組成了兩套相近的格子，它們相互疊加形成了摩爾條紋。摩爾條紋的圖樣和格子間的轉角密切相關。感興趣的童鞋，可以在身邊尋找兩套相同的格子（譬如窗紗），手動旋轉它們，觀察摩爾條紋的變化。
手機拍攝電腦屏幕產生的摩爾條紋（圖片：作者自制）
旋轉兩層相同大小的六方格子形成周期更大的摩爾條紋（圖片：作者自制）
盡管摩爾條紋給電子顯示和拍攝帶來不小麻煩，科學家卻想到了利用二維材料中的摩爾條紋去觀察新的物理現象。只需要將窗紗換成晶格接近或者相同的兩層二維材料，並且小角度堆疊在壹起，便可以構築二維的微觀摩爾條紋，即二維摩爾超晶格（曹原便是將窗紗換成了兩層石墨烯，兩層石墨烯間旋轉約1.1?）。
這裏，筆者順便科普壹下二維材料。
二維材料，顧名思義，它的厚度薄到可以將之視為二維極限。常見的二維材料包括石墨烯（石墨的基本組成單元，只含有壹層碳原子，碳原子按照六角蜂窩狀周期排列）、薄層過渡金屬硫化物（如二硫化鉬MoS2等，通常是良好的半導體材料）。由於二維材料太薄，兩層二維材料的界面便能代表整體的性質。因此，二維材料被視為摩爾超晶格研究的最合適載體之壹。
石墨烯的晶格示意圖（每個小球為碳原子，圖片來源：維基百科）
他是發現了高溫超導機制嗎？
著名科幻作家劉慈欣在他的代表作《三體》中描繪了由三個恒星體組成的世界。三個恒星靠萬有引力彼此緊密關聯，它們的運動波雲詭譎，不可預測，給三體文明帶來了巨大的災難。
三體問題是最簡單的多體問題，卻足以困擾人類至今。當物體數N?3時，體系的動力學問題無法嚴格求解（人們往往根據實際情況，采用各種近似的方法）。而在基礎物理研究領域，由多個彼此關聯的對象（包括電子、原子等）組成的多體體系，它們表現出的物理性質往往超出了既有知識的理解。
著名物理學家、諾貝爾獎得主Philip W. Anderson教授（已於2020年3月與世長辭）曾經留下著名的壹句話?More is different?，便是指多體關聯作用能帶來新的物理。
Philip W. Anderson（1923.12.13-2020.3.29）
在現實的材料中，電子之間可以靠靜電相互作用（庫倫作用力）彼此關聯在壹起，它們的多體關聯往往誘導出奇特的物理性質。譬如，在銅基的陶瓷材料中，科學家發現它的超導轉變溫度可以大幅提升至液氮的沸點溫度以上，因此具有很高的實用價值（中國科學家在這個領域做出了突出貢獻）。實現室溫的超導轉變，對未來的能源和交通發展將會產生革命性影響。
因此，在基礎物理研究上，尋找這樣的強關聯體系並挖掘其中的物理奧秘，壹直是壹項非常重大的課題。而我們今天重點介紹的轉角摩爾超晶格，便是壹個很好的多體關聯體系。
時間要追溯到2011年。盡管當時人們已經認識到將兩層石墨烯以壹定的轉角堆疊起來，可以形成二維摩爾超晶格，並帶來新的物理現象。但是，直到美國的理論物理學家Allan H. MacDonald教授和Rafi Bistritzer博士計算出轉角為1.1?的雙層石墨烯超晶格中電子的速度會大幅降低，人們才開始逐漸認識到1.1?轉角雙層石墨烯超晶格蘊含了豐富的多體強關聯物理。
為了讓大家更明白這其中的奧秘，筆者舉壹個簡單例子。
考慮壹個子彈射擊年糕的情形，年糕對子彈的粘附力類比於電子間的靜電相互作用力，子彈的速度類比於電子的速度。當子彈的速度極快時，子彈輕松擊穿年糕，年糕幾乎對子彈沒有什麽影響；而當子彈的速度很慢時，子彈會被年糕黏住。
電子的速度和相互作用力，便是這樣的壹對競爭關系。在單層石墨烯中，電子的速度可以達到光速的1/30，速度極快（相對論效應都出來了），電子間的相互作用力很多時候可以忽略不計。而在1.1?轉角雙層石墨烯超晶格中，電子的速度幾乎接近於零，多體的相互作用便占據上風了，轉角石墨烯超晶格由此成為典型的多體模型（具體的關於電子速度為啥會大幅下降，感興趣的童鞋可以自行查閱相關文獻）。
魔角雙層石墨烯模型（圖片來源：Nature雜誌網站）
子彈被年糕黏住的結果，反映在魔角石墨烯超晶格中，就是原本的電子金屬態可以轉變為絕緣態。
在理論預測之後，實驗科學家開始嘗試利用各種方法去制備這樣的轉角石墨烯超晶格樣品，並觀測其中的多體物理現象。
2018年，曹原和他的導師Pablo Jarillo-Herrero教授率先實現了魔角雙層石墨烯樣品的制備，並在低溫下（約零下270℃）觀測到金屬態到絕緣態的轉變。令人震驚的是，他們意外地發現，如果向轉變後的絕緣態添加壹定量的電子，居然能誘導出超導現象！這種行為和我們上文介紹的銅基超導體很像。
因此，魔角雙層石墨烯對於認識高溫超導機制具有重要作用（並不是說曹原的工作發現了高溫超導機制甚至實現了室溫超導，此處嚴肅批判某些媒體對此的錯誤報道）。
曹原和他發現的魔角雙層石墨烯超導現象（圖片來源：Nature雜誌網站）
由於轉角石墨烯的突破性進展，Pablo Jarillo-Herrero教授獲得了2020年巴克利獎（凝聚態物理最高獎）；Pablo Jarillo-Herrero，Allan H. MacDonald和Rafi Bistritzer***同獲得2020年沃爾夫獎。
從左至右依次為：Pablo Jarillo-Herrero，Allan H. MacDonald和Rafi Bistritzer（圖片來源：Wolf Prize官網）
轉角，為什麽在科研界爆紅？
轉角石墨烯中電子的多體相互作用帶來的有趣物理現象迅速吸引了人們大量的關註。在2019年，物理學家發現了該體系裏還存在著豐富的量子物態。對基礎物理稍微關註的童鞋，可能聽說過清華大學薛其坤院士發現量子反常霍爾效應的工作（被楊振寧先生稱為?諾獎級的成果?）。在魔角雙層石墨烯中，同樣可以實現量子反常霍爾效應。
魔角雙層石墨烯中的量子反常霍爾效應（圖片來源：Science雜誌網站）
基於這些重大成果，壹個新的研究領域?轉角電子學，應運而生了。該領域可以大致分為兩個方向（縱向和橫向）：縱向上，深入挖掘和理解該體系裏的新奇物理現象，包括我們上文提到的超導和量子反常霍爾效應；橫向上，尋找更多的轉角多體關聯體系。
文章開頭提到的曹原今年的兩篇Nature之壹，在轉角雙層-雙層石墨烯超晶格中發現金屬-絕緣態轉變的工作，就屬於後者（值得註意的是，中科院的團隊也做出了同樣的工作）。除了將兩個單層或者兩個雙層石墨烯堆疊在壹起，科學家後來發現，幾乎絕大部分的二維材料以某種角度堆疊形成合適的摩爾超晶格後，都可以演變為電子的多體強關聯體系（已經有多個相關工作發表在Nature和Science雜誌上）。
兼顧?深?與?廣?，這可能是?轉角?為什麽在科研界爆紅的原因吧！
Nature三連：2020年發表在Nature期刊上關於其他二維材料轉角超晶格的三篇文章（發表時間分別為2020年3月，2020年3月，2020年5月）