科学家们可以有雄心勃勃的目标：治愈疾病、探索遥远的世界、清洁能源革命。在物理学和材料研究中，其中一些雄心勃勃的目标是使听起来普通的物体具有非凡的特性：可以在不损失任何能量的情况下传输电力的电线，或者可以执行当今计算机无法实现的复杂计算的量子计算机。逐渐将我们推向这些目标的实验的新兴工作台是二维材料——单层原子厚的材料片。

在 9 月 14 日发表在《自然物理学》杂志上的一篇论文中，由华盛顿大学领导的一个团队报告说，精心构建的石墨烯堆栈(一种二维形式的碳)可以表现出高度相关的电子特性。该团队还发现证据表明，这种集体行为可能与奇异磁态的出现有关。

“我们已经创建了一个实验装置，使我们能够以多种令人兴奋的新方式操纵石墨烯层中的电子，”共同资深作者、华盛顿大学物理学和材料科学与工程助理教授 Matthew Yankowitz 说。作为华盛顿大学清洁能源研究所的教员研究员。

Yankowitz 与共同资深作者、华盛顿大学物理学和材料科学与工程教授 Xiaodong Xu 领导了该团队。徐还是华盛顿大学分子工程与科学研究所、华盛顿大学纳米工程系统研究所和华盛顿大学清洁能源研究所的研究员。

由于二维材料只有一层原子厚，原子之间的键只能在二维中形成，而像电子这样的粒子只能像棋盘游戏中的棋子一样移动：左右、前后或对角线，但不能上或下。这些限制会使 2-D 材料具有 3-D 对应物所缺乏的特性，科学家们一直在探索不同材料的 2-D 片材，以表征和了解这些潜在有用的特性。

但是在过去的十年里，像 Yankowitz 这样的科学家也开始将二维材料分层——比如一堆煎饼——并且发现，如果以特定的配置堆叠和旋转并暴露在极低的温度下，这些层可以表现出奇特的和意想不到的属性。

UW 团队研究了双层石墨烯的构建块：两片石墨烯自然层叠在一起。他们将一个双层堆叠在另一个之上——总共有四个石墨烯层——并扭曲它们，使两个双层之间的碳原子布局稍微不对齐。过去的研究表明，在石墨烯的单层或双层之间引入这些小扭转角会对它们的电子行为产生重大影响。通过堆叠双层的电场和电荷分布的特定配置，电子显示出高度相关的行为。换句话说，它们都开始做同样的事情——或者同时显示相同的属性。

“在这些情况下，描述单个电子在做什么不再有意义，而是描述所有电子都在做什么，”扬科维茨说。

主要作者、华盛顿大学物理学博士生、前清洁能源研究所研究员何敏豪说：“这就像在一个挤满人的房间里，任何人的行为改变都会导致其他人做出类似的反应。”

量子力学是这些相关特性的基础，并且由于堆叠的石墨烯双层的密度超过每平方厘米 10^12 或 1 万亿个电子，因此许多电子都在集体活动。

该团队试图解开他们实验设置中相关状态的一些奥秘。在仅比绝对零值高几度的温度下，该团队发现他们可以将系统“调整”到一种相关的绝缘状态——在这种状态下它不会传导电荷。在这些绝缘状态附近，该团队发现了一些具有类似于超导特性的高导电状态。

尽管其他团队最近报告了这些状态，但这些特征的起源仍然是个谜。但是 UW 团队的工作已经找到了可能解释的证据。他们发现这些状态似乎是由称为“自旋”(一种角动量)的电子的量子力学性质驱动的。在相关绝缘状态附近的区域，他们发现了所有电子自旋自发对齐的证据。这可能表明，在显示相关绝缘状态的区域附近，正在出现一种铁磁性，而不是超导性。但是需要额外的实验来验证这一点。

这些发现是使用二维材料进行实验时可能出现的许多惊喜的最新例子。

“我们在这方面的研究中所做的大部分工作是试图创造、理解和控制新兴的电子态，这些态可以是相关的或拓扑的，或者同时具有这两种特性，”徐说。“在未来，我们可以用这些状态做很多事情——例如一种量子计算形式、一种新的能量收集设备或一些新型传感器——坦率地说，我们只有尝试才能知道。 ”

与此同时，预计堆叠、双层和扭曲角会继续制造波浪。