当我们用铅笔在纸上书写绘画的时候，可能并不会意识到黑色的石墨笔芯有什么神奇之处，但如果从微观物理科学的角度来看，却是另一个充满奥妙的世界。

石墨是碳同素异形体的一种形态，碳原子可组成平面六边形环平铺结构，堆叠起来便是石墨，因这些层状结构之间仅有微弱的结合力，可以轻易造成相互滑动、脱落。石墨也因此表现出质地较软且有滑腻感的特性，不仅能用来写字，还能做润滑材料，同时科学家们利用石墨材料较好的耐腐蚀性、导电性与导热性等，在产业界展开广泛应用。

而碳原子的神奇之处在于，不同的排列组合能形成属性截然不同的材料。例如在极高压力下，每个碳原子会以四面体状与另外四个碳原子键合，形成一个三维密铺网状结构，这种结构的结晶便是具备较高透明度和超强硬度的钻石，与石墨相比也变成了不导电材质。

图｜碳的两种常见同素异形体，分别是钻石（左）及石墨（右）（来源：维基百科）

如果碳原子变成二维结构又会表现出怎样的能力？答案便是在凝聚态物理领域火了十多年的超级材料：石墨烯。通俗来讲，即单原子层平面的石墨，这种单层原子组成的晶体材料也称作二维材料，据了解，1毫米厚度的石墨大约是由万层石墨烯堆叠而成。

年，英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈海姆（AndreGeim）和康斯坦丁诺沃肖洛夫（KonstantinNovoselov）成功在实验室从石墨中分离出了石墨烯，并在室温下观察到石墨烯中的量子霍尔效应，年，二人因对石墨烯的开创性贡献共同获得了诺贝尔物理学奖。石墨烯作为人类成功制备出的第一款二维材料，被科学家们广泛誉为是改变21世纪的材料之王，吸引了各国物理学家对此展开深入科研。它不仅是目前人类已知强度最高、最薄的纳米材料，而且具备超导电性、极好的热传导性和光学特性等。

一种新材料的应用边界有多广，取决于对其物理特性的了解有多深，在过去超过15年的时间里，科学家对石墨烯的研究已然走向深水区，但关于石墨烯的特性我们了解透彻了么？

来自麻省理工学院（MIT）物理系的助理教授巨龙，近年来通过融合光学、微器件加工及电学输运测量等跨领域实验手段，揭示了更多关于石墨烯材料的全新物理特性和应用前景，其创新发明的实验技术也对二维材料的物理研究起到了重要助推作用，凭借极具开拓性的科研贡献，他成功入选了《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”年中国区榜单。

在日前的一次交流中，巨龙向DeepTech讲述了他眼中的二维材料2.0时代。

图｜《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”年中国区榜单入选者巨龙

二维材料2.0时代

巨龙今年33岁，本科毕业于清华大学物理系，年-年期间，他在加州大学伯克利分校先后获得物理学硕士和博士学位，随后进入到康奈尔大学卡弗里纳米科学研究所以及原子和固体物理研究所做博士后研究，年1月，加入麻省理工学院物理系担任助理教授。

在外界看来，多年偏基础物理科学的研究不免会有些枯燥，但对巨龙来说，兴趣是最好的内心驱动力，他所领导的课题组目前也是聚焦于对二维材料的一些基本物理性质的研究。

巨龙介绍，从年至今，科学界基本是一边研究已发现的二维材料性质，另一方面，也在不断寻找新的二维材料。石墨烯是这个领域里的第一个材料，近15年时间里科学家们已经做了很多突破性工作，曾经有一段时间，业界认为对石墨烯的相关特性都已经搞清楚了，于是就把注意力跟重心转移到去研究其他的二维材料。

图｜两层石墨烯以1.1度的偏转夹角叠起来时实现了1.7K温度下的超导（来源：QuantaMagazine）

转折点发生在年初，一项重磅研究在扭曲双层石墨烯中观察到新型超导现象，被称为“魔角石墨烯”，DeepTech曾对此进行过采访报道：《21岁MIT中国科学家连发两篇Nature论文：室温超导有望实现重大突破，石墨烯揭开其中“魔法”

独家》。

与传统超导有很多不一样的特性，此发现虽然离高温超导甚远，但对揭开超导原理之谜意义深远，诺贝尔物理奖得主罗伯特劳夫林（RobertLaughlin）曾评论该发现是“一个令人目眩的暗示”，未来可能帮助推演设计出常温超导体，此后，石墨烯又重新成为整个二维材料乃至整个凝聚态物理领域非常前沿的研究焦点。

“如果你只考虑一层二维材料的话，它该有什么样的性质，说实话十几年时间大家都研究得比较清楚了，但如果你把二维材料想象成一张纸，不同的纸有不同的属性，两张纸可以叠起来，同理，你也可以把二维材料连接起来，这个事情就变得非常有趣，它们之间会产生相互作用，表现出跟两张完全分开的纸非常不一样的物理特性，从结构的角度来讲，科学家就可以获得之前自然界中所不存在的材料。”

在巨龙看来，二维材料目前已进入2.0时代，科学家们在1.0时代主要研究单个的二维材料的性质，研究完可能就去寻找下一种二维材料。但目前在1.0的基础上，科学家们对各种二维材料的性质理解比较清楚的情况下，突然打开了一个全新的领域，可以把不同的二维材料组合在一起，或是控制扭转的角度产生更多实验变量，包括探索与拓扑材料的联系等，然后研究发现了全新的物理性质。

二维材料2.0时代刚刚揭幕，正在不断有惊喜产生。

图｜多层石墨烯概念图（来源：pixabay）

三篇论文，三个开创性发现

年，巨龙第一次在实验中观测并证明了石墨烯中等离子体的存在及其基本物理性质，这个新发现被《自然-纳米技术》进行了专题报道，论文被引用超过2次，目前是该细分领域被引用最多的文章，对石墨烯等离子学的研究具有开创性。

等离激元作为电子集体震荡的量子形式，在材料的电学响应方面扮演着最基本和重要的角色，而且，与等离子激元相关的电磁场的波长可以比具有相同频率的光的波长短几个数量级。这意味着，等离子体可用来控制纳米级的电磁辐射，它们对固体中的电子对外部磁场的响应以及超材料在负折射、超透镜和隐身涂层等应用中的功能都起到关键作用。

这项研究发现，石墨烯纳米带中的等离子体具有广泛的可调谐频率，并可与光发生强烈的相互作用。巨龙和团队通过改变石墨烯纳米带宽度和其中的电荷载流子浓度，可以在较宽的太赫兹频率范围内调谐石墨烯等离子体共振，等离子体频率可从1.5太赫兹调整到6太赫兹。

这些结果为从近红外到远红外可调的各种器件打开了大门，包括超材料器件（如调制器、滤波器、偏振器、减速器、隐身器件和超级透镜），等离子器件（包括生物和化学传感器）和光电子器件（振荡器、放大器、光电探测器、高速通讯互联等），揭示了基于石墨烯材料全新的等离子体学和太赫兹超材料结合的科研思路。

图｜石墨烯微带阵列可以通过不同方式进行调整（来源：BerkeleyLab）

年，巨龙的又一项工作成果再次被《自然》杂志和许多主流物理媒体报道，他和同事在双层石墨烯的畴壁上发现了拓扑保护的一维电子传导通道，这些传导通道是“谷极化”的。

在实验手段上，巨龙结合了近场红外纳米级显微镜和低温电迁移测量技术，记录了双层石墨烯畴壁上一维弹道电子传导通道的第一批实验观察结果，它们的存在为探索石墨烯中独特的拓扑相和能谷物理学提供了广阔前景。

能谷电子学作为量子计算的潜在途径，在高科技行业同样受到极大

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