如何看待Yuan Cao等人有关石墨烯魔角的研究？
这是一个很好的研究，给高温超导这个长期陷于困境的领域提供了新的线索。在最好的可能性中，有望使人类理解高温超导的机理。当然，也有可能还是空欢喜一场，跟以前的若干次兴奋一样归于沉寂。
下面稍微详细地介绍一下。
传统上，人们对于一些简单物质例如水银的超导，已经提出了一种成功的解释，叫做BCS理论。BCS这个名字是它的三位提出者Bardeen、Cooper和Schrieffer的首字母缩写，他们三人因此获得了1972年的诺贝尔物理学奖。但是，在BCS理论的框架内，超导转变温度很难超过40 K。
1986年，两位科学家Bednorz和Müller发现了一类新的超导体系，就是铜氧化物。这个领域迅速成为最火热的物理学研究热点，他们也因此获得了1987年的诺贝尔物理学奖。
全世界的实验物理学家们，开始以疯狂的热情，夜以继日地尝试铜氧化物的各种元素组成和比例，就像做排列组合似的，这种做法也常被比喻为炒菜。经过这种地毯式的搜索，果然找到了一些超导转变温度很高的体系，典型的例子如钇钡铜氧（Y-Ba-Cu-O）和铋锶钙铜氧（Bi-Sr-Ca-Cu-O）。在这个过程中，中国科学家也做出了很大贡献，例如朱经武、赵忠贤等人，这是值得我们喝彩的。
但是在理论方面呢，铜氧化物超导的机理却完全搞不清楚。唯一可以肯定的是，不是BCS理论。想想看，全世界最聪明的理论物理学家们经过30年的艰苦努力，却仍然是众说纷纭，莫衷一是，没有人能解决问题，这是一个多么神奇的领域啊！
好，现在我们可以说到曹原等人的工作了。以前对石墨烯的研究，针对的都是单层的石墨烯。最近有理论家预言，如果你取两层石墨烯，并且让它们之间偏转某个角度，就有可能出现一些新的性质。
曹原等人做的，就是这样的实验。在偏转角为1.1度的时候，双层石墨烯的体系表现出了惊人的性质，所以他们把这个角度称为魔法角度，magic angle。什么惊人的性质呢？
第一个惊人的性质，是这个体系成了莫特绝缘体。
什么叫做莫特绝缘体？莫特（Nevill Francis Mott）是1977年的诺贝尔物理学奖获得者，莫特绝缘体指的是这样一种体系：根据最基础的导电性理论，它应该是导体，但由于某种超越基础理论的高级因素，它实际上却是绝缘体。这种超越基础理论的高级因素，就叫做「关联」（correlation），指的是电子之间的瞬间相互作用。
更具体地说，在莫特绝缘体中，平均每个原子有一个价电子。但这些电子之间的排斥作用很强，如果让两个电子同时出现在一个原子上，就会付出很大的代价。结果是电子们只好「一个萝卜一个坑」地待在相应的原子上，谁也不能动，所以整个体系成了绝缘体。
第二个惊人的性质，是魔法角度下的双层石墨烯这个莫特绝缘体，在一定的条件下，又会变成超导体。什么条件呢？加个门电压，向体系中注入电子，或者反过来，从体系中取走电子。曹原等人发现，这个体系的超导转变温度是1.7 K。
这两个性质之所以惊人，是因为了解超导的人一眼就可以看出来，这是典型的铜氧化物的行为。许多铜氧化物就是如此，本身是莫特绝缘体，但你如果通过掺杂改变化学组成之类的办法注入或者拿走一些电子，破坏掉原来「一个萝卜一个坑」的僵持局面，它一下子就变成了超导体。绝缘体和超导体相距得如此之近，这就是高温超导的一个典型表现！
现在我们可以理解，曹原等人的工作，重要性在哪里了。这个1.7 K的超导，本身没有实用价值，但是它给铜氧化物的超导提供了一条全新的线索。
超导是一种宏观量子现象，当温度降低到转变温度（Tc）以下时，材料的电阻率降为0，同时具有完全抗磁性。
目前有很多种超导体被发现，从传统的金属，合金到高温超导（陶瓷材料），铁基超导体，有机超导体，掺杂石墨烯超导，到这次刚刚发现的「魔角」石墨烯超导。
在物理学的三月会议上，「魔角」石墨烯超导的发现已经引爆了现场，这张图片不禁使人想到当初高温超导初次被发现时报告的盛况。
常规超导机制是上世纪50年代由巴丁，库帕和施里弗发现的，所谓BCS理论，常规超导机制解释了金属和合金的超导电性。常规超导体现在已经有很重要的工业应用，比如超级对撞机里用的强磁体就是用常规超导体（Nb_3Sn）做成的。
BCS理论的核心思想是金属中的电子在电声子相互作用机制下形成配对，配对后的电子（库帕对）是稳定的，电子的量子力学基态相应会发生重构。本来电子的运动很容易被杂质，缺陷影响，但现在因为库帕对是稳定的，拆散库帕对需要消耗能量，这样就解释了超导现象。
关于高温超导等非常规超导的机制，目前物理学家们还有争议。一般的看法是这里电子和电子间的相互作用（强关联）会很重要，考虑微观模型的话，最简单的就是所谓哈伯德模型。
在哈伯德模型中，相邻格点上的电子可以跑来跑去（能量为t），同时如果相同格点上有两个自旋相反电子的话，系统会有一项排斥能（U），
这里U项代表的就是电子和电子之间的相互作用，如U很小的话，这个系统对应的是金属，如果U很大（强关联）的话，每个格点上正好只有一个电子，对应的是绝缘体。
在强关联情形下，哈伯德模型也可以改写为t-J模型，
上式中的S表示电子的自旋，物理学家认为此时系统会存在自旋的涨落，磁机制有可能是导致高温超导的原因，所谓磁机制就是电子通过交换自旋涨落所导致的有效吸引，就好比在BCS理论中，电子通过交换声子（晶格涨落）会导致有效的吸引一样。
在「魔角」石墨烯中，科学家们（包括我国的年轻科学家曹原）把两层石墨烯叠在一起，然后扭转固定在一起，形成一个周期性结构更大的系统。
单层石墨烯是个六角形的结构，C原子的三个电子（sp2杂化）在层内会形成三个化学键，同时每个C原子还有一个自由的电子没有形成化学键，它们是属于整个石墨烯的，换句话说每个格点上都有一个自由电子是可以跳来跳去的，这就是前面所说的t项，经过计算，我们发现这个电子的色散关系（能量-动量关系）是这样的，
它的突出特点是存在一些狄拉克点，在这些狄拉克点附近，电子的能量和动量是成正比的，ω=vk，有效质量为0，这和光子的色散关系一样，从这个角度说在狄拉克点附近的量子激发，其运动是「相对论性的」。
平均而言，每个格点上只有一个电子，此时系统的费米面正好在狄拉克点的位置，在这种情况下，系统的行为既不同于金属，也不同于绝缘体。但如果我们给系统掺杂的话，费米面的位置会升高，或降低，此时系统就会转变为金属。
以前曾有人用堆积木的方法，在二维的石墨烯上堆金属，这样相当于是改变了层内电子的浓度，从而得到了超导电性。
但这次，科学家是把两层石墨烯堆在一起，并旋转了一个特定角度，这样的后果首先是改变了材料整体的对称性，直观的看，「重复出现」的周期性结构变大了，这使得电子在动量空间重复出现的周期结构会变小，准粒子的色散关系在变小的动量周期空间（第一布里渊区）会发生折叠，旋转角度的不同，会调控色散关系折叠的具体细节。
同时两层石墨烯之间的电子也是可以跳来跳去的，这也会影响准粒子的色散关系。如果电子的浓度不变的话，此时平均而言每个格点上还是占据一个电子，系统表现为绝缘体（莫特绝缘体），但如果我们用某种方法使得系统内电子的浓度发生改变（科学家在这里使用的是门电压），费米面的位置就会发生移动，如果正好移动到色散关系折叠后导致的平坦的地方，超导就会特别容易发生。
这个研究的新颖之处是使用完全不同的系统，不同的方法，重现了高温超导的主要特征，在高温超导中，也是二维系统（二维CuO面），也出现了莫特绝缘体，通过氧含量调控层内电子的浓度，使得超导现象发生。
这个研究会帮助人们理解长期悬而未决的高温超导机制问题，同时展现了调控物性的多种可能性（通过旋转角度和门电压），这都为未来设计新的量子器件提供了可能性。
高温超导难题的关键在于其中复杂的相互作用——强大的电荷库仑排斥能和强烈的自旋相互作用，导致其中电子处于强关联的状态，即牵一发而动全身。由于电子不再能被视为近自由或简化看待，现有的凝聚态物理论无法准确描述高温超导现象。高温超导的复杂相互作用的结果，就是导致其复杂的相图。其中母体，按照传统金属导电理论，其能带为半满填充，本应该是很好的导体，但是因为关联效应，电子能带发生劈裂，导致费米面附近没有态密度，反而是绝缘体。称之为莫特绝缘体。在此基础上，进行掺杂，会出现一系列复杂的电子态，反铁磁、电荷密度波、自旋密度波、赝能隙、超导等，超导只是其中一员，而且其能量尺度要远远低于库仑排斥能和磁交换相互作用。正是如此，高温超导的难题，近30余年来都未曾解决。
曹原的工作，重点是「模拟」再现了高温超导的物理现象，但并没出现高温超导（最高超导温度1.7 K）。通过魔转角石墨烯构造摩尔纹，极大地扩大了石墨烯的晶格，使得原本载流子极其稀少的石墨烯，在大晶格下的小布里渊区构成半满填充。恰恰是半满填充的时候，出现了绝缘体态。通过估算其他物理量，曹原等人认为该体系也是强关联的状态。最重要的是，通过门电压可以非常干净地调控载流子浓度，他们神奇地发现了超导现象，而且构造出来的相图和高温超导相图也是非常像。所以，他们的工作表明高温超导机理问题，或许可以通过其他系统「模拟」的方式来研究，而不是一定要执著于材料本身。
需要注意的是，石墨烯超导并不是什么稀奇的事情。实际上，少层石墨烯里掺杂碱金属就可以实现超导，其临界温度也可以达到10 K左右，但理论普遍认为这属于常规的BCS超导，和高温超导现象完全无关。曹原的实验需要技术非常高，目前也仅有零电阻的证据说明超导，尚未有抗磁性的数据，即使两者都有证明超导的客观性，仍然无法排除是否就是莫特绝缘体里的高温超导现象，进一步的实验仍然有待实现。
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