引言

麻省理工學院的Pablo Jarillo-Herrero教授（曹原的導師）團隊在《Nature》上發表了題為《The Discovery That Stuck—20 Years of Graphene》的觀點論文。這篇文章回顧了石墨烯發現的二十年歷程，強調了這一材料在基礎科學和應用技術領域的廣泛影響。文中提到，石墨烯的獨特性質，如超強的導電性和力學強度，使其成為許多新興技術的基礎。此外，研究者們探索了扭曲雙層石墨烯等新型異質結構的可能性，揭示了二維材料在量子現象和材料工程中的潛力。通過回顧過去的成就，Jarillo-Herrero教授的團隊展望了未來的研究方向，強調了石墨烯及其衍生材料在納米技術和電子器件中的應用前景。

研究內容

在物理學的某個定理中，量子波動被認為會阻礙晶體（或其他任何）有序結構在二維中存在。想象一下，當評審們第一次閱讀一篇報告，稱原子薄膜的石墨不僅存在，而且在室溫下是穩定的，且電導率非常高時，他們那困惑的面孔。究竟是什么阻止這些碳原子層融化或以碎片形式飛走呢？現實生活顯然并不總是遵循數學定理的假設。顯然，評審們也同意這一觀點，因此，20年前，《科學》期刊發表了Novoselov等人撰寫的論文，首次證明了“石墨烯”層的存在。

圖1 |二維奇跡材料。a. 2004年，Novoselov等人發現他們可以使用膠帶從石墨晶體上剝離碳原子層，以隔離稱為石墨烯的材料，基本上是二維的。他們還發現，石墨烯是一種優秀的電導體。b.自那時以來，這個團隊和其他研究人員揭示了石墨烯的更多驚人特性。例如，當兩層石墨烯堆疊在一起并旋轉時，它們形成一種“扭轉雙層”，與單層不同，它可以是電絕緣體或超導體（電阻為零）。

論文的突破性

在《電場效應在原子薄碳薄膜中的研究》一文中，Novoselov等人從多個方面突破了科學的邊界。首先，作者用一種聰明、富有創意且令人驚訝的簡單方法來分離單層碳原子（石墨烯）或少層石墨烯（FLG）。他們利用普通的膠帶，從石墨晶體上剝離原子層，然后將膠帶壓在基底上（如圖1a所示）。令人驚訝的是，當研究人員移除膠帶時，發現基底上布滿了薄薄的石墨片，其中包括石墨烯和FLG。至今，許多研究小組（包括我自己的團隊）仍然使用幾乎相同的方法來分離這一材料。

第二個突破是，石墨烯和FLG薄片可以通過簡單的光學顯微鏡用肉眼輕松觀察到。這使得作者能夠迅速可視化機械剝離實驗的結果，并通過測量光學對比度來表征薄片的厚度。至今，光學顯微鏡仍然是觀察石墨烯（以及后來發現的許多“二維材料”）的最常用方法。這種技術經過了一些改進，例如人工智能增強的顯微鏡，可以以高度準確和自動化的方式識別和計數材料的層數。

第三，FLG薄膜在環境條件下穩定，尤其是在標準納米加工過程中。這意味著它們不受電極連接過程的影響，從而使得Novoselov等人得以展示FLG薄膜具有良好的電導性。第四，石墨作為一種半金屬材料，其載流子密度較典型金屬要小，這使得作者能夠構建電阻可以通過改變施加在附近金屬電極上的電壓而變化幾個數量級的設備。

最后，當Novoselov等人將FLG樣品降溫并施加大磁場時，他們注意到電阻表現出量子振蕩的特性，這是一種在許多量子系統中常見的現象。這暗示這些薄片具有潛力（在隨后幾年中得以證明）去實現新的量子現象和器件。

新的電子行為

盡管這一突破令人驚訝，但可以說，直到次年，兩篇論文的發表才真正讓其影響力被充分認識，包括Novoselov和同事的一篇。這兩篇論文表明，單層石墨烯中的電子表現得像是無質量粒子，以與其能量無關的恒定速度運動；在某些方面，它們更像是飛行在高能物理加速器中的粒子，而不是在晶體固體中的電子。同年，Novoselov和同事還展示了膠帶剝離法可以用于分離其他幾種超薄晶體薄膜。這標志著二維材料研究的正式開始，而Konstantin Novoselov和Andre Geim因此獲得了2010年諾貝爾物理學獎，以表彰他們在二維材料石墨烯方面的開創性實驗。

很難高估2004年論文對凝聚態物理和材料工程的影響。一項簡單的指標是，它在Web of Science數據庫中被引用超過50,000次，成為歷史上被引用最多的物理學論文之一，這反映出全球成千上萬的研究小組紛紛投身于二維材料的研究。這些研究者不僅包括物理學家，還有化學家、材料科學家、電氣工程師，甚至醫生。那么，是什么原因導致這一非凡的興趣呢？部分原因在于石墨烯的特性包含許多超級性能：它是最強、最薄的材料，也是熱和電的最佳導體。更重要的是，它并不是唯一的二維材料，這意味著源自Novoselov及其同事初步結果的研究方向可以廣泛展開。

二維材料的大家族現在包括絕緣體、半導體、晶體磁體、晶體鐵電材料（具有自發電極化特性的材料）、超導體（具有零電阻的材料）等。許多情況下，這些二維晶體的行為與它們的三維同類大相徑庭，并且往往更易于“調節”（例如，通過改變層數或載流子密度）。因此，研究人員預測了許多這些二維材料的潛在科學和技術應用，其中一些應用已經開始實現：超靈敏的化學和生物傳感器以及紅外相機等已處于前列。

電子質量的消失

另一個二維材料的重要特性是，它們可以相互堆疊，形成“異質結構”，這在某些方面類似于用兒童樂高積木構建的結構。但樂高積木必須以對齊或直角的方式堆疊，而二維材料則沒有這樣的限制：它們可以在其晶格之間的任意扭轉角度堆疊。這些扭曲的異質結構的屬性可能與其組成層有顯著不同（如圖1b所示）。例如，約1度的扭曲角度可以將疊加的石墨烯片（既不是絕緣體也不是超導體）轉變為一種顯示絕緣和超導行為的異質結構，這得益于其電子之間的相互作用。

這個領域通常被稱為“扭曲電子學”（twistronics），因為兩個晶格的疊加形成了一個稱為“摩爾晶格”的干涉圖案，并且它已經成為二維材料研究中最活躍的領域之一。值得注意的是，在過去六年中，扭曲電子學研究人員幾乎實現了所有已知的量子物質相，通常具有非常規特征。他們甚至發現了全新的量子相和效應，包括去年在扭曲的摩爾異質結構中實現的分數量子異常霍爾效應。

未來的展望

從20年前開始的旅程遠未結束，二維材料的研究仍在不斷增長。研究這些材料的科學家們以驚人的速度取得了關于基本物理的重要發現，這使人倍感樂觀。例如，手性（或“手性”）是一種不僅影響許多物理系統行為的特性，同時在化學和生物中也起著關鍵作用，而這種特性可以在扭曲的異質結構中被探索和精細調節。

在技術方面，盡管我們要保持謹慎樂觀，但也有理由感到樂觀。生長大規模、高質量石墨烯和其他二維材料的技術正在迅速改善，工程師們也越來越愿意將這些材料納入設備制造平臺中。然而，尤其是對于石墨烯以外的材料，二維樣品的質量仍需進一步提高，并且需要自動化制造具有任意扭轉角度的微型異質結構的方法。這些努力將需要大量資源和物理學家、化學家和工程師的全力智慧。最終，取得的成果可能是巨大的，可能為未來幾十年內整個納米技術的發展鋪平道路。

結論

綜上所述，石墨烯的發現不僅改變了我們對二維材料的理解，更推動了相關科學研究的發展。隨著研究的深入，我們期待看到更多新奇的現象以及更廣泛的應用，為材料科學、電子技術以及其他領域帶來前所未有的變革。研究者們對未來的探索將不斷拓展科學的邊界，推動技術的進步。