石墨烯是一種非常規的物質。畢竟，有多少其他獲得諾貝爾獎的突破是由科學家們在周五晚上拿著膠帶瞎搞的？從那時起，石墨烯——以及一系列額外的二維材料，如鍺和矽——因其迷人的特性而成為人們著迷和興奮的源泉。
越來越多的科學家意識到，在稱為範德瓦爾斯異質結構的構造中將2D材料層堆疊在一起可以允許更大程度地控制其光學和電子特性。正是這種堆疊導致了一個奇怪而令人興奮的發現。
取兩層石墨烯。把它們扭成一個非常小的角度，精確地說是1.1度，然後把它們疊在一起。(這說起來容易做起來難，因為這個想法最初是在2007年提出的，但直到2018年才實現。)由此產生的雙層石墨烯是一種超導體：當溫度降到臨界閾值以下時，這種材料根本沒有電阻。
單個原子厚度的層自然很輕，但也出奇地堅韌和靈活。這使得石墨烯最初被認為是未來理想的建築材料或防彈衣。然而，正是石墨烯的電學特性，導致了石墨烯在傳感器中的首次應用。石墨烯的電學特性源於電子在如此薄的一層中的獨特行為。超導性，在其他一切之上，是這種非凡材料的錦上添花。
物理學家的遊樂場
當然，石墨烯並不是第一個顯示超導特性的物質。超導體，除了其他功能外，還能產生極高的磁場而不會因為電阻而損失能量，已經被廣泛應用。引人注目的例子包括ITER的磁鐵，這是世界上最大的核聚變裝置，目前正在建設中。
然而，儘管超導在越來越多不同的材料被發現，但石墨烯仍有許多令人著迷的未解之謎。非常規高溫超導體的發現引發了人們的猜測，即有一天可能會發現室溫超導體。但是，由於沒有解釋非常規超導體如何工作的物理理論，很難預測哪些材料可能表現出這種行為，也很難尋找更好的材料，這些材料可以產生更大的磁場，在更高的溫度下工作，或者更容易建造。如果被發現，它們可以使更小的聚變反應堆，甚至是無損的電力傳輸，以及無摩擦的高速運輸成為可能，幫助解決能源和氣候危機。
這就是扭曲的雙層石墨烯最讓物理學家興奮的地方：它提供了一種獨特的方法來測試超導理論。我們知道超導性是由電子高度相關的材料引起的：在低溫下，由於隨機粒子運動產生的噪音更小，電子之間可以產生強烈的影響，正是這種強烈的相互作用導致了超導性。
與鋇銅氧化物（YCBO）等非常規超導體不同，石墨烯具有相對簡單的結構。即使是製造出一種具有超導性的YCBO晶體也相當困難，而且人們對這種晶體的了解仍然很有限，所有它們的數學模型都不可能準確地解出來。為了使YCBO晶體成為超導晶體，有必要將其與雜質「摻雜」，從而向系統中添加自由電子。但是這些自由電子可以很容易地添加到石墨烯中。
扭曲的邏輯
石墨烯的「神奇角度」背後的原因是由於兩層石墨烯之間的量子隧穿的能量勢壘而產生的。當你接近精確的旋轉角度(1.1度)時，能量勢壘變得非常小，允許電子在層與層之間進行強烈的相互作用並相互關聯。製造這種材料並不容易——麻省理工學院的實驗室花了數年時間才發現了這種材料，並學會了如何在扭曲角精確控制的情況下製造多層石墨烯。
他們發現他們的一個測試裝置是一個完美的絕緣體，它不允許任何電子被傳遞。然而，施加一個小電壓，向系統中添加自由電子，就會突然過渡到超導性。一旦扭曲的雙層石墨烯被製造出來，它的電子和超導性能就可以通過施加電場或壓力來調整。
扭曲的雙層石墨烯為超導系統的實驗提供了一個絕佳的場所，因為它的性質很容易調整和改變。正如麻省理工學院(MIT)實驗室在2018年首次發現扭曲雙層石墨烯超導性的帕布羅賈洛赫雷羅在《量子》雜誌上所指出的：「如果有什麼系統能讓我們希望理解強相關電子，那就是這個。
極限物理測試
有了這些非傳統超導體的實驗數據，物理學家們可以對相互關聯的電子材料的工作原理有新的認識。理解量子凝聚態，即固體中電子的性質，將是未來各種發展的關鍵，從更小的電路到更高效的可再生能源。
也許我們可以找到一種量子態，它可以製造出不易被熱漲落破壞的量子位元，這將有助於我們建造下一代量子計算機。當然，對室溫超導體的研究將會知道去哪裡尋找。自2018年首次宣布這一消息以來，數十名科學家蜂擁進入「twistronics」這一新的研究領域，也就不足為奇了——已經有人在談論諾貝爾獎了。最近的研究將扭曲雙層石墨烯的性質與另一個活躍的物理研究領域——量子霍爾效應聯繫起來。
當然，實驗正在擴展以考慮其他單個原子層，並研究從不同的扭曲到不同的材料堆疊可能產生的材料特性的範圍。例如，微小的扭曲可以顯著改變其光學，電子和機械特性的材料可以充當半導體並因此用於計算和電信。
在石墨烯最初被發現的近15年後，以石墨烯為開端的二維材料領域仍然讓物理學家們感到驚訝。隨著我們對這些納米級材料奇特而奇妙的特性有了更深入的了解，利用物質的基本量子性質的應用和設備的前景也越來越清晰。然而，正如這一令人驚訝的發現所表明的那樣，在極限處仍然存在著大量令人著迷的物理現象。