石墨烯为什么能获得诺贝尔奖

我们使用的铅笔是由石墨制成的，而石墨是由碳制成的，它具有一种不寻常的结构，这赋予它一些非凡的特性。当我们把它去除到只剩一层时，石墨变成石墨烯。这种材料是如此非凡，以至于即使在今天，我们也仍在发现出乎意料的新特性，并超越了我们所理解的界限。

1859年，Benjamin Brodie注意到热还原氧化石墨的高度层状结构。直到1916年，Peter Dubye 和 Paul Scherrer才确定了石墨的结构。1947年，P. R. Wallace在研究3D石墨的电子特性时是第一个探索石墨烯存在的人。次年，Reuss和F. Vogt捕捉了几个石墨烯层组成的薄石墨样品的图像。1961年，Hanns-Peter Boehm发表了一项关于极薄石墨薄片的研究，并为假设的单层结构创造了石墨烯一词。

通过机械剥离制造石墨薄膜的尝试从1990年开始，但直到2004年，Andre Geim和Konstantin Novoselov才分离出单层石墨烯，他们也获得了2010年的诺贝尔奖。

石墨烯具有一些非凡的特性，每个原子的四个外壳电子中的三个占据三个sp2 杂化轨道，剩余的外壳电子占据垂直于平面取向的Pz轨道。这些轨道混合在一起形成两个半填充的自由移动电子带，这些带是石墨烯大部分显着电子特性的原因。

过去，研究人员能够通过将材料与其他超导金属接触来合成石墨烯超导体，这允许石墨烯继承一些超导行为。在一项新工作中，研究人员希望更进一步，让石墨烯本身成为超导体。他们通过创建一个由两个石墨烯片堆叠在一起的超晶格来实现这一点，这两个石墨烯片不是精确地堆叠在一起，而是以所谓的1.1度的魔角稍微扭转。这会在六边形晶格中产生一个小的偏移，从而产生一种云纹图案，该图案会在石墨烯片中的电子之间引起异常强的相关相互作用。

在其他堆叠结构中，石墨烯更倾向于保持独特性，并且不会与其他层发生太多相互作用。当这些层以魔角扭转时，两片石墨烯表现出不导电的行为。然后当他们施加电压后，少量电子被添加到石墨烯超晶格中。在某一时刻，电子突破其初始绝缘状态并无阻力地流动，就像通过超导体一样。

在一项相关研究中，科学家通过改变自旋轨道耦合进一步推进了这一概念。自旋轨道耦合是某些材料中电子行为的一种状态，其中每个电子的自旋都与其围绕原子核的轨道相连。自旋轨道耦合是粒子自旋与其在势内运动的相对论相互作用。由于电子磁偶极子、其轨道运动和带正电原子核的静电场之间的相互作用，这种现象会导致电子原子能级发生变化。这可以作为光谱线的分裂被检测到，可以将其视为两种相对论效应的塞曼效应产物。

自旋轨道耦合可以产生广泛的有趣的量子现象，但它通常不存在于魔角石墨烯中。因此为了实现这一点，研究人员将魔角石墨烯与一种特殊的二硒化钨块连接起来，这是一种具有强自旋轨道耦合的材料。他们发现，当电流在存在外部磁场的情况下沿一个方向流过材料时，它会在垂直于电流的方向上产生电压。该电压称为霍尔效应，是材料中固有磁场的一个明显信号。

令研究人员惊讶的是，他们能够证明他们可以控制样品的磁性，将其变成铁磁体。他们发现可以通过外部磁场和电场来控制魔角石墨烯，这为计算机存储开辟了新途径。另一个潜在的应用是量子计算，这里的障碍之一是需要提供磁体和超导体之间的界面，但磁体通常对超导性具有破坏性。但是一种既具有铁磁性又具有超导性的魔角石墨烯可以提供这样的界面。