去年，科学家们证明了扭曲的双层石墨烯——一种由两个原子厚度的碳薄片构成的材料，稍微扭曲一下——可以展示超导和绝缘区域的交替。现在，来自美国西班牙的科学家在《自然》杂志上发表了一项新的研究美国、中国和日本的研究表明，超导性可以通过一个很小的电压变化来开启或关闭，这增加了超导性在电子设备中的用途。
得克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家艾伦·麦克唐纳说:“创造出一种室温下具有超导性的材料，可以说是物理学的圣杯。”“所以这就是这项研究的部分动机:更好地理解高温超导性。”
这一发现是Twistronics这一新兴领域的重大进展。该领域的先驱者包括麦克唐纳和同样来自德克萨斯大学奥斯汀分校的工程师伊曼纽尔·图图克。世界各地的研究人员花了好几年的时间才把麦克唐纳最初的见解转变成具有这些奇怪特性的材料，但这是值得等待的。
在奇怪的地方发现超导性
2011年，理论物理学家麦克唐纳利用量子数学和计算机建模来研究二维材料，他有了一个意想不到的发现。他与博士后研究员拉菲·比斯特里泽(Rafi Bistritzer)一起，致力于建立简单而准确的模型，研究电子在堆叠的二维材料(材料的一个原子厚度)中，当一层材料相对于另一层稍微扭曲时，电子的行为如何。麦克唐纳认为，这个看似不可计算的问题，只要把注意力集中在系统的一个关键参数上，就可以大大简化。
麦克唐纳和比斯特里策采用的策略证明是成功的。惊喜随后而至。他们的方法应用于扭曲的双层石墨烯时,两层碳原子组成的一个系统,他们发现,在一个非常具体的角1.1度——他们被称为“魔角”——电子行为在一个奇怪的和非凡的方式,突然移动更慢100倍。
为什么会出现这种情况，这对科学意味着什么，需要多年才能发现。
在短期内，这一发现在很大程度上被忽视或忽视。这个结果似乎太不寻常，令人难以置信。此外，用这种二维薄片的精确位置来创建这样一个系统的物理示例在物理上是不可能实现的。
但并不是所有人都对结果表示怀疑或害怕。世界各地的一些实验主义者注意到了发表在《美国国家科学院院刊》上的预测，并选择追求“神奇的角度”。2018年，麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的物理学家首次创造了一种扭曲1.1度的层状石墨烯体系，他们发现，正如麦克唐纳所预测的那样，该体系表现出了非凡的性能——尤其是在惊人的高温下的超导性。
对于电子为何突然减速，没有简单的解释。“多亏了哈佛的理论家们最近的工作，现在有了与基本粒子物理学中经常研究的模型相关的部分解释。但是现在在不同的分层2D材质中有很多相关的效果。扭曲的双层石墨烯只是其中一部分的一个缩影。”
超导材料没有电阻，允许电子无止尽地运动而不耗散能量。它们被用于量子计算，如果不需要昂贵的制冷设备，它们可能会改变电力传输的规则。
超导性首次发现于1911年，在许多材料中都有记载。然而，它们都需要极低的温度来保持其独特的特性。堆叠二维材料的出现可能会改变这一点。
在双绞层石墨烯中发现的超导性为一个蓬勃发展的子领域——缠绕电子学——提供了燃料，并推动了该技术的进一步发展。
十年潜心研究
自从2004年Andre Geim和Konstantin Novoselov在曼彻斯特大学发现石墨烯(最终获得2010年诺贝尔物理学奖)以来，MacDonald一直对这些奇怪的二维系统及其可能包含的新物理学着迷。
他几乎立刻就开始研究这种材料，从2004年开始，他就利用德州高级计算中心(TACC)的超级计算机来探索石墨烯和其他二维材料的电子结构。
麦克唐纳说:“我的工作就是预测以前从未出现过的不寻常现象，或者试图理解人们还没有很好理解的现象。”“我被直接与实际发生的事情相联系的理论所吸引，我对数学和理论描述现实世界的力量感兴趣。”
层状二维材料的奇怪特性似乎与相互作用有关，当电子减速时，相互作用变得更加重要，从而导致单个电子之间产生强烈的相互关系。通常情况下，电子在原子轨道中几乎是分别围绕原子核旋转的，从而进入能量最低的量子态。神奇角石墨烯似乎不是这样。
麦克唐纳说:“基本上，当电子以原子中最低能量轨道的方式组织自己时，不会发生什么有趣的事。”“但一旦电子间的相互作用决定了它们的命运，有趣的事情就会发生。”
人们如何去研究在分层二维系统中发生的事情——技术上被称为范德华异质结构?“看到”电子运动几乎是不可能的。测量提供了线索，但结果是间接的，而且常常与直觉相反。麦克唐纳认为，计算机模型可以帮助我们进一步了解限制电子的新情况。
代表经典电子结构的计算机模型在大多数情况下都发展得很好，而且精度很高，但它们需要在面对异质结的怪异物理特性时进行调整。
改变这些因素意味着重新编写当前流行的模型，以反映强相互作用电子的行为，这是麦克唐纳和他实验室的研究人员目前正在进行的一项任务，使用TACC的Stampede2超级计算机(世界上最强大的计算机之一)来测试模型和运行模拟。此外，为了准确地复制世界各地实验室得出的结果，必须包含越来越多的电子。
“真实的系统有数十亿电子，”麦克唐纳解释道。“随着电子数量的增加，你很快就会超过任何计算机的能力。所以，我们正在使用的方法之一，是由来自波兰的访客Pawel Potasz领导的工作，来解决电子数量少的问题，并推断出大量电子的行为。”
将理论应用于从未见过的系统
在致力于重新设计电子结构模型并将其扩展到更大数量的电子的同时，麦克唐纳仍然有时间与世界各地的实验小组合作，将他的理论和计算见解加入到他们的发现中。
在发现幻角之后的许多年里，创造具有精确旋转角度的纯分层二维材料的实际困难限制了这一领域。但是在2016年，另一位UT研究员Emanuel Tutuc和他的研究生Kyounghwan Kim开发了一种可靠的方法来创建这样的系统，不仅使用石墨烯，还使用了许多不同的2D材料。
Tutuc说:“这个突破实际上是我的学生介绍的一种技术，它包括取一个大的层，把它分成两部分，取一个部分放在另一个上面。”
以前没有实现的原因是很难捡起一个微米大小的原子厚度的材料。金发明了一种粘性的半球形把手，可以举起一片雪花，而其他所有的东西都完好无损。
“一旦完成，可能性就变得无穷无尽，”他继续说。“没过多久，那个学生又说，‘好吧，现在我们可以非常准确地对准它们了，那我们就来扭一下吧。’”’所以这就是下一步。”
近年来，麦克唐纳和他的团队已经探索了三层、四层或五层石墨烯，以及其他有前途的材料，特别是过渡金属硫族化合物，以寻找不寻常的——而且可能有用的——现象。
麦克唐纳、图图克、德克萨斯大学奥斯汀分校的物理学家Elaine Li和一个大型国际团队在2019年2月的《自然》杂志上发表文章，描述了在具有小扭转角的二烯化钼/二烯化钨(MoSe2/WSe2)异动层中观察到的间接激子。
激子是由电子和空穴组成的准粒子，它们相互吸引并相互固定。这些通常存在于单个层中。然而，对于某些2D材料，它们可能存在于不同的层上，这大大增加了它们存在的时间长度。这可能会产生超流体，即液体的不受阻碍的流动——这一特性以前只在液氦中出现过。
现在,麦克唐纳和一组来自西班牙、中国和日本的一项研究发表在自然魔法角的石墨烯显示材料展览交流超导和保温阶段,可以打开或关闭一个小电压变化,类似于集成电路中使用的电压,提高电子设备的实用性。为了实现这一结果，来自加泰罗尼亚光学物理研究所的团队成员们制造出了比以前更均匀扭曲的石墨烯超晶格。在此过程中，他们发现交错绝缘和超导态的模式比预测的还要复杂。
TACC超级计算机是MacDonald研究的重要工具，在最近的《自然》杂志上，它被用于数据的理论建模。
他断言:“我们所做的许多事情，如果没有高性能的计算机是无法完成的。”“我们一开始在桌面上运行，然后很快就陷入了困境。因此，使用超级计算机通常是能够得到满意答案和不能得到满意答案之间的区别。”
虽然计算实验的结果似乎不像实验室里的那样直接或“真实”，但麦克唐纳指出，这些结果可以揭示探索的新途径，有助于阐明宇宙的奥秘。
“让我的工作充满活力的是，大自然总是会带来新的问题。当你问一个新类型的问题时，你事先不知道答案是什么。”麦克唐纳说。“研究是一种冒险，一种社区冒险，一种集体的随机漫步，通过它，知识得以前进。”
——文章发布于2019年10月30日
