這是一個很好的研究，給高溫超導這個長期陷於困境的領域提供了新的線索。在最好的可能性中，有望使人類理解高溫超導的機理。當然，也有可能還是空歡喜一場，跟以前的若干次興奮一樣歸於沉寂。

下面稍微詳細地介紹一下。

傳統上，人們對於一些簡單物質例如水銀的超導，已經提出了一種成功的解釋，叫做BCS理論。BCS這個名字是它的三位提出者Bardeen、Cooper和Schrieffer的首字母縮寫，他們三人因此獲得了1972年的諾貝爾物理學獎。但是，在BCS理論的框架內，超導轉變溫度很難超過40 K。

1986年，兩位科學家Bednorz和Müller發現了一類新的超導體系，就是銅氧化物。這個領域迅速成為最火熱的物理學研究熱點，他們也因此獲得了1987年的諾貝爾物理學獎。

全世界的實驗物理學家們，開始以瘋狂的熱情，夜以繼日地嘗試銅氧化物的各種元素組成和比例，就像做排列組合似的，這種做法也常被比喻為炒菜。經過這種地毯式的搜尋，果然找到了一些超導轉變溫度很高的體系，典型的例子如釔鋇銅氧（Y-Ba-Cu-O）和鉍鍶鈣銅氧（Bi-Sr-Ca-Cu-O）。在這個過程中，中國科學家也做出了很大貢獻，例如朱經武、趙忠賢等人，這是值得我們喝彩的。

但是在理論方面呢，銅氧化物超導的機理卻完全搞不清楚。唯一可以肯定的是，不是BCS理論。想想看，全世界最聰明的理論物理學家們經過30年的艱苦努力，卻仍然是眾說紛紜，莫衷一是，沒有人能解決問題，這是一個多麼神奇的領域啊！

好，現在我們可以說到曹原等人的工作了。以前對石墨烯的研究，針對的都是單層的石墨烯。最近有理論家預言，如果你取兩層石墨烯，並且讓它們之間偏轉某個角度，就有可能出現一些新的性質。

曹原等人做的，就是這樣的實驗。在偏轉角為1.1度的時候，雙層石墨烯的體系表現出了驚人的性質，所以他們把這個角度稱為魔法角度，magic angle。什麼驚人的性質呢？

無偏轉（左）和偏轉1.1度（右）的雙層石墨烯

第一個驚人的性質，是這個體系成了莫特絕緣體。

什麼叫做莫特絕緣體？莫特（Nevill Francis Mott）是1977年的諾貝爾物理學獎獲得者，莫特絕緣體指的是這樣一種體系：根據最基礎的導電性理論，它應該是導體，但由於某種超越基礎理論的高階因素，它實際上卻是絕緣體。這種超越基礎理論的高階因素，就叫做“關聯”（correlation），指的是電子之間的瞬間相互作用。

更具體地說，在莫特絕緣體中，平均每個原子有一個價電子。但這些電子之間的排斥作用很強，如果讓兩個電子同時出現在一個原子上，就會付出很大的代價。結果是電子們只好“一個蘿蔔一個坑”地待在相應的原子上，誰也不能動，所以整個體系成了絕緣體。

第二個驚人的性質，是魔法角度下的雙層石墨烯這個莫特絕緣體，在一定的條件下，又會變成超導體。什麼條件呢？加個門電壓，向體系中注入電子，或者反過來，從體系中取走電子。曹原等人發現，這個體系的超導轉變溫度是1.7 K。

這兩個性質之所以驚人，是因為了解超導的人一眼就可以看出來，這是典型的銅氧化物的行為。許多銅氧化物就是如此，本身是莫特絕緣體，但你如果透過摻雜改變化學組成之類的辦法注入或者拿走一些電子，破壞掉原來“一個蘿蔔一個坑”的僵持局面，它一下子就變成了超導體。絕緣體和超導體相距得如此之近，這就是高溫超導的一個典型表現！

現在我們可以理解，曹原等人的工作，重要性在哪裡了。這個1.7 K的超導，本身沒有實用價值，但是它給銅氧化物的超導提供了一條全新的線索。

高溫超導難題的關鍵在於其中複雜的相互作用——強大的電荷庫侖排斥能和強烈的自旋相互作用，導致其中電子處於強關聯的狀態，即牽一髮而動全身。由於電子不再能被視為近自由或簡化看待，現有的凝聚態物理論無法準確描述高溫超導現象。高溫超導的複雜相互作用的結果，就是導致其複雜的相圖。其中母體，按照傳統金屬導電理論，其能帶為半滿填充，本應該是很好的導體，但是因為關聯效應，電子能帶發生劈裂，導致費米麵附近沒有態密度，反而是絕緣體。稱之為莫特絕緣體。在此基礎上，進行摻雜，會出現一系列複雜的電子態，反鐵磁、電荷密度波、自旋密度波、贗能隙、超導等，超導只是其中一員，而且其能量尺度要遠遠低於庫侖排斥能和磁交換相互作用。正是如此，高溫超導的難題，近30餘年來都未曾解決。

曹原的工作，重點是“模擬”再現了高溫超導的物理現象，但並沒出現高溫超導（最高超導溫度1.7 K）。透過魔轉角石墨烯構造摩爾紋，極大地擴大了石墨烯的晶格，使得原本載流子極其稀少的石墨烯，在大晶格下的小布裡淵區構成半滿填充。恰恰是半滿填充的時候，出現了絕緣體態。透過估算其他物理量，曹原等人認為該體系也是強關聯的狀態。最重要的是，透過門電壓可以非常乾淨地調控載流子濃度，他們神奇地發現了超導現象，而且構造出來的相圖和高溫超導相圖也是非常像。所以，他們的工作表明高溫超導機理問題，或許可以透過其他系統“模擬”的方式來研究，而不是一定要執著於材料本身。

需要注意的是，石墨烯超導並不是什麼稀奇的事情。實際上，少層石墨烯裡摻雜鹼金屬就可以實現超導，其臨界溫度也可以達到10 K左右，但理論普遍認為這屬於常規的BCS超導，和高溫超導現象完全無關。曹原的實驗需要技術非常高，目前也僅有零電阻的證據說明超導，尚未有抗磁性的資料，即使兩者都有證明超導的客觀性，仍然無法排除是否就是莫特絕緣體裡的高溫超導現象，進一步的實驗仍然有待實現。

超導是一種宏觀量子現象，當溫度降低到轉變溫度（Tc）以下時，材料的電阻率降為0，同時具有完全抗磁性。

目前有很多種超導體被發現，從傳統的金屬，合金到高溫超導（陶瓷材料），鐵基超導體，有機超導體，摻雜石墨烯超導，到這次剛剛發現的“魔角”石墨烯超導。

常規超導機制是上世紀50年代由巴丁，庫帕和施裡弗發現的，所謂BCS理論，常規超導機制解釋了金屬和合金的超導電性。常規超導體現在已經有很重要的工業應用，比如超級對撞機裡用的強磁體就是用常規超導體（Nb_3Sn）做成的。

BCS理論的核心思想是金屬中的電子在電聲子相互作用機制下形成配對，配對後的電子（庫帕對）是穩定的，電子的量子力學基態相應會發生重構。本來電子的運動很容易被雜質，缺陷影響，但現在因為庫帕對是穩定的，拆散庫帕對需要消耗能量，這樣就解釋了超導現象。

關於高溫超導等非常規超導的機制，目前物理學家們還有爭議。一般的看法是這裡電子和電子間的相互作用（強關聯）會很重要，考慮微觀模型的話，最簡單的就是所謂哈伯德模型。

在哈伯德模型中，相鄰格點上的電子可以跑來跑去（能量為t），同時如果相同格點上有兩個自旋相反電子的話，系統會有一項排斥能（U），

這裡U項代表的就是電子和電子之間的相互作用，如U很小的話，這個系統對應的是金屬，如果U很大（強關聯）的話，每個格點上正好只有一個電子，對應的是絕緣體。

在強關聯情形下，哈伯德模型也可以改寫為t-J模型，

上式中的S表示電子的自旋，物理學家認為此時系統會存在自旋的漲落，磁機制有可能是導致高溫超導的原因，所謂磁機制就是電子透過交換自旋漲落所導致的有效吸引，就好比在BCS理論中，電子透過交換聲子（晶格漲落）會導致有效的吸引一樣。

在“魔角”石墨烯中，科學家們（包括中國的年輕科學家曹原）把兩層石墨烯疊在一起，然後扭轉固定在一起，形成一個週期性結構更大的系統。

單層石墨烯是個六角形的結構，C原子的三個電子（sp2雜化）在層內會形成三個化學鍵，同時每個C原子還有一個自由的電子沒有形成化學鍵，它們是屬於整個石墨烯的，換句話說每個格點上都有一個自由電子是可以跳來跳去的，這就是前面所說的t項，經過計算，我們發現這個電子的色散關係（能量-動量關係）是這樣的，

它的突出特點是存在一些狄拉克點，在這些狄拉克點附近，電子的能量和動量是成正比的，ω=vk，有效質量為0，這和光子的色散關係一樣，從這個角度說在狄拉克點附近的量子激發，其運動是“相對論性的”。

平均而言，每個格點上只有一個電子，此時系統的費米麵正好在狄拉克點的位置，在這種情況下，系統的行為既不同於金屬，也不同於絕緣體。但如果我們給系統摻雜的話，費米麵的位置會升高，或降低，此時系統就會轉變為金屬。

以前曾有人用堆積木的方法，在二維的石墨烯上堆金屬，這樣相當於是改變了層內電子的濃度，從而得到了超導電性。

但這次，科學家是把兩層石墨烯堆在一起，並旋轉了一個特定角度，這樣的後果首先是改變了材料整體的對稱性，直觀的看，“重複出現”的週期性結構變大了，這使得電子在動量空間重複出現的週期結構會變小，準粒子的色散關係在變小的動量週期空間（第一布里淵區）會發生摺疊，旋轉角度的不同，會調控色散關係摺疊的具體細節。

同時兩層石墨烯之間的電子也是可以跳來跳去的，這也會影響準粒子的色散關係。如果電子的濃度不變的話，此時平均而言每個格點上還是佔據一個電子，系統表現為絕緣體（莫特絕緣體），但如果我們用某種方法使得系統內電子的濃度發生改變（科學家在這裡使用的是門電壓），費米麵的位置就會發生移動，如果正好移動到色散關係摺疊後導致的平坦的地方，超導就會特別容易發生。

這個研究的新穎之處是使用完全不同的系統，不同的方法，重現了高溫超導的主要特徵，在高溫超導中，也是二維繫統（二維CuO面），也出現了莫特絕緣體，透過氧含量調控層內電子的濃度，使得超導現象發生。

這個研究會幫助人們理解長期懸而未決的高溫超導機制問題，同時展現了調控物性的多種可能性（透過旋轉角度和門電壓），這都為未來設計新的量子器件提供了可能性。