即是绝缘体，又是超导体，中国天才少年与石墨

文/M叔

图侵删

近几年，信息技术领域有史以来最大的"焦虑"就是——摩尔定律的极限。

所谓摩尔定律是指单位面积的集成电路数量，平均每18个月就要翻一番。从电子集成技术发明以来，摩尔定律一直在延续。单个晶体管的大小，从原来的几百微米，缩小到了今天的7纳米。

所以，我们今天的一块手机芯片上，可以有100亿个晶体管。这些就是支持一个手机强大算力的基础设施。

但发展到这个地步，用于制作晶体管的硅材料，已经遭遇了"物理极限"——如果晶体管再小下去，很可能就会出现"量子效应"——也就是说，芯片会变得不稳定、不可靠。

可是人们对于算力的渴望又是无穷无尽的， 所以有不少科学家都在尝试，不用传统的硅材料作芯片，尝试其他的材料。

96年出生的中国天才少年与石墨烯上的神秘魔角

2018年3月5日，《自然》连续刊发两篇以曹原为第一作者的石墨烯重磅论文，其中提到的材料石墨烯，让那些担心摩尔定律极限的人，看到希望。

曹原

值得一提的是，论文作者曹原1996年出生于成都，22岁时已经是麻省理工学院在读博士生。

石墨烯是一种以碳原子组成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，它的厚度只有一个碳原子大的二维材料。自石墨烯被发现以来，其诸多优异属性一直令人印象深刻：它比铁还要坚固，比铜的导电性还要好等等。

石墨烯的碳分子结构

但让科学家不解的是，石墨烯是一种仅仅由单层的碳原子构成的薄膜。在石墨烯之前，人们不相信仅仅由一层原子织成的薄膜，能够在自然界稳定存在。于是出于对这种结构的惊奇，科学家从很早开始，就在疯狂探索石墨烯的各种应用。

既然很早科学家就在研究了，那么为什么年轻的曹原的两篇论文会有如此大的轰动？

曹原发表有关石墨烯的论文

原因是曹原发现一个神奇的现象：

通俗得讲，当两层石墨烯之间有一个特别小的夹角的时候（大概1.1°），两层石墨烯的薄膜之间会交替出现超导和绝缘的区域，就像是汽油漂在水面上交替出现的彩色条纹一样。

这个现象让科学家们非常兴奋。它开启了一个被称为转角电子学的研究领域，1.1°这个角度，就被称为"魔角"。

石墨烯上的魔角与未来芯片产业

到了2019年10月30日，《自然》杂志上发表了一篇中国、美国和日本科学家的关于石墨烯材料的联合研究。这项研究才真正让人们看到了一种未来芯片的全新可能。

而在这一次的研究中，人们发现了石墨烯一个更重磅的特性，就是通过一个小的电压变化，我们就可以控制这个超导现象的打开或者关闭。正是这个可控的特性，让科学家异常兴奋，甚至看到了未来芯片的一种可能。

为什么这么说呢？

一个可控的，能在绝缘和超导之间切换的装置是什么？——其实是一个开关。

而我们所熟悉的各种芯片，包括电脑的CPU、手机的AI芯片，还有大量的集成电路器件等等，它最底层的结构单元，其实就是逻辑开关。

所以，科学家们仿佛看到了一种全新的、构成芯片底层结构的可能，那就是用两层石墨烯的夹角结构，也就是"魔角"，构成逻辑开关的阵列。

而且这个阵列还有一个特别诱人的特性——那就是超导（零电阻效应）。

要知道现在芯片行业最头疼的一个难题，就是晶体管发热的问题。而石墨烯夹角带来的超导特性，意味着这样的材料不会发热，因此格外吸引人。

不过平心而论，因为目前针对石墨烯器件的研究，普遍都在原理阶段。咱们说的这种新型芯片，距离实现看起来还非常非常远。

石墨烯做成的材料

当然，这些都是从芯片材料的角度对于这项研究的解读。作为早期的学术研究，石墨烯转角结构很可能还会从超导原理、二维材料的设计等等其他方面，发挥意想不到的作用。

对"魔角"研究的开启，仅仅是因为一位中国天才少年无意中的发现。科学和科技发展之路，虽然充满了偶然性，但离不开那些科学精英的付出。未来倘若真的基于魔角的发现，能够诞生碳基芯片，那超级电脑就不远了，人类也会迎来一个全新的发展速度！

参考资料：

·付冰冰. 谁能"驯服"石墨烯[J]. 人民周刊, 2019, 000(006):P.50-51.

·百科百科

·赵斌. 摩尔定律已经接近物理极限了吗[J]. 科技导报, 2015(10):127.