达尔文进化理论的新证明；探测地球周边的暗物质｜一周科技速览(3)

自2004年石墨烯被发现以来，这种仅由一层碳原子构成的二维材料就展现了诸多出众的热学、力学和电学等性质。2016年，两层石墨烯以“魔角”相互重叠而产生超导特性，更是引爆了“扭转电子学”（Twistronics）这一领域的热度。
传统电路中的磁性材料通常由含有铁或钴的合金制成。这种磁性材料如同条形磁铁一样自带南北极，可以作为硬盘存储数据的方式，磁极的方向代表1或0。但石墨烯由碳原子构成，本身并没有磁性。那么，研究人员是如何让石墨烯材料表现出铁磁性的呢？
在实验中，他们将三层石墨烯夹在两层氮化硼当中，以一定角度交错叠放，形成摩尔纹的超晶格。当施加门电压时，电子被驱使沿着相同方向做圆周运动，使得器件具有铁磁性。

三层石墨烯夹在两层氮化硼当中形成摩尔纹超晶格，内部具有铁磁性，边缘则表现出超导电性 | 来源：Guorui Chen/Berkeley Lab
测量结果表明，石墨烯内部不仅有铁磁性，而且是绝缘的，但是边缘却支持电流毫无阻碍地流动，也就是表现出超导电性。这些都是一种罕见的绝缘体——陈绝缘体（Chern insulator）的特征，表明材料具有非同一般的拓扑学性质。
进一步的计算表明，石墨烯器件有两个导电的边缘，而不是只有一个，因此，这种器件成为第一个被观测到的“高阶”陈绝缘体（陈数=2），而正是三层石墨烯内部强烈的电子相互作用导致了这种奇特的性质 。
“陈绝缘体”中的“陈”，来自以数学家陈省身名字命名的“陈数（Chern number）”。在二维材料中电子的动量空间上，对电子波函数的Berry相位积分，得到的数就叫陈数。陈数不为零的绝缘体被称为陈绝缘体。最为人所知的陈绝缘体大概是可以实现整数量子霍尔效应的二维电子气了。然而，使二维电子气成为陈绝缘体需要很强的磁场，而此次制备的石墨烯器件并不需要外加磁场。
陈绝缘体有望为操纵量子信息提供潜在的新方式，在量子计算领域，科学家一直专注于寻找陈绝缘体。而这项研究表明，石墨烯不仅有助于对超导的研究，如今也可用于研究二维材料的拓扑物理。