我們使用的鉛筆是由石墨制成的，而石墨是由碳制成的，它具有一種不尋常的結構，這賦予它一些非凡的特性。當我們把它去除到只剩一層時，石墨變成石墨烯。這種材料是如此非凡，以至于即使在今天，我們也仍在發(fā)現(xiàn)出乎意料的新特性，并超越了我們所理解的界限。

1859年，Benjamin Brodie注意到熱還原氧化石墨的高度層狀結構。直到1916年，Peter Dubye 和 Paul Scherrer才確定了石墨的結構。1947年，P. R. Wallace在研究3D石墨的電子特性時是第一個探索石墨烯存在的人。次年，Reuss和F. Vogt捕捉了幾個石墨烯層組成的薄石墨樣品的圖像。1961年，Hanns-Peter Boehm發(fā)表了一項關于極薄石墨薄片的研究，并為假設的單層結構創(chuàng)造了石墨烯一詞。

通過機械剝離制造石墨薄膜的嘗試從1990年開始，但直到2004年，Andre Geim和Konstantin Novoselov才分離出單層石墨烯，他們也獲得了2010年的諾貝爾獎。

石墨烯具有一些非凡的特性，每個原子的四個外殼電子中的三個占據(jù)三個sp2 雜化軌道，剩余的外殼電子占據(jù)垂直于平面取向的Pz軌道。這些軌道混合在一起形成兩個半填充的自由移動電子帶，這些帶是石墨烯大部分顯著電子特性的原因。

過去，研究人員能夠通過將材料與其他超導金屬接觸來合成石墨烯超導體，這允許石墨烯繼承一些超導行為。在一項新工作中，研究人員希望更進一步，讓石墨烯本身成為超導體。他們通過創(chuàng)建一個由兩個石墨烯片堆疊在一起的超晶格來實現(xiàn)這一點，這兩個石墨烯片不是精確地堆疊在一起，而是以所謂的1.1度的魔角稍微扭轉。這會在六邊形晶格中產(chǎn)生一個小的偏移，從而產(chǎn)生一種云紋圖案，該圖案會在石墨烯片中的電子之間引起異常強的相關相互作用。

在其他堆疊結構中，石墨烯更傾向于保持獨特性，并且不會與其他層發(fā)生太多相互作用。當這些層以魔角扭轉時，兩片石墨烯表現(xiàn)出不導電的行為。然后當他們施加電壓后，少量電子被添加到石墨烯超晶格中。在某一時刻，電子突破其初始絕緣狀態(tài)并無阻力地流動，就像通過超導體一樣。

在一項相關研究中，科學家通過改變自旋軌道耦合進一步推進了這一概念。自旋軌道耦合是某些材料中電子行為的一種狀態(tài)，其中每個電子的自旋都與其圍繞原子核的軌道相連。自旋軌道耦合是粒子自旋與其在勢內運動的相對論相互作用。由于電子磁偶極子、其軌道運動和帶正電原子核的靜電場之間的相互作用，這種現(xiàn)象會導致電子原子能級發(fā)生變化。這可以作為光譜線的分裂被檢測到，可以將其視為兩種相對論效應的塞曼效應產(chǎn)物。

自旋軌道耦合可以產(chǎn)生廣泛的有趣的量子現(xiàn)象，但它通常不存在于魔角石墨烯中。因此為了實現(xiàn)這一點，研究人員將魔角石墨烯與一種特殊的二硒化鎢塊連接起來，這是一種具有強自旋軌道耦合的材料。他們發(fā)現(xiàn)，當電流在存在外部磁場的情況下沿一個方向流過材料時，它會在垂直于電流的方向上產(chǎn)生電壓。該電壓稱為霍爾效應，是材料中固有磁場的一個明顯信號。

令研究人員驚訝的是，他們能夠證明他們可以控制樣品的磁性，將其變成鐵磁體。他們發(fā)現(xiàn)可以通過外部磁場和電場來控制魔角石墨烯，這為計算機存儲開辟了新途徑。另一個潛在的應用是量子計算，這里的障礙之一是需要提供磁體和超導體之間的界面，但磁體通常對超導性具有破壞性。但是一種既具有鐵磁性又具有超導性的魔角石墨烯可以提供這樣的界面。