首先，石墨烯展现出狄拉克费米子行为、非常规量子霍尔效应和强关联电子态，为二维电子物理提供实验平台。其次，扭转角和异质结构引入的莫尔超晶格实现了能带工程，发现了分形霍尔谱、克隆狄拉克点、魔角超导态等突破性成果。
第三，二维磁性材料如CrI₃和Cr₂Ge₂Te₆的发现，打破传统二维体系无长程磁序的预期，为自旋电子学开辟新路径。文末展望指出，二维材料在量子计算、柔性器件和磁存储等领域具有广阔前景。
二维材料指厚度仅为原子层级的材料，其独特结构带来了与三维材料截然不同的物理性质。自2004年石墨烯被成功分离以来，二维材料家族迅速壮大，涵盖石墨烯、过渡金属硫化物、II-VI族化合物、各类范德华铁磁体等。它们因带有“二维自由度”和“拓扑”等新特性，引发了量子输运、光学、电学等领域的研究热潮。
石墨烯是单层碳原子构成的蜂窝状晶格，是理想的二维电子系统。石墨烯中电子服从线性色散关系，模拟无质量狄拉克费米子。
Novoselov等（2005）报道了石墨烯中表现出的三条关键现象：①即使载流子浓度趋近零，电导率也不降至零下限；②量子霍尔效应出现“半整数”填充数；③质量为零的携带电子回旋质量随费米能量按√n变化。其中，半整数量子霍尔效应直接体现了石墨烯的拓扑性质和Berry相。
DOI:
:10.1038/nature04233
几乎同时，张等（2005）通过高迁移率器件验证了石墨烯表现出异常的半整数量子霍尔效应和Berry相效应。这些工作奠定了石墨烯不同于传统半导体二维电子系统的新物理基础。
随着样品质量提高，石墨烯中电子-电子相互作用效应变得可观。2009年，Bolotin等在悬浮超洁净石墨烯器件中首次观测到分数量子霍尔效应（FQHE）。他们发现，在强磁场下石墨烯产生分数量子霍尔态，即载流子与磁通量发生凝聚形成分数量子准粒子。该实验还发现石墨烯在低载流子浓度时成为绝缘体，其能隙可被磁场调制。这些新发现表明石墨烯中可以实现相关的狄拉克费米子体系，为探索二维强关联物理提供了平台。
狄拉克费米子特性： 石墨烯的低能电子服从狄拉克方程，表现为零质量费米子。Novoselov等证实石墨烯的电子表现出接近光速的有效“光速”，带来了诸如最小电导率、非常规量子霍尔效应等特征。
非常规量子霍尔效应： 张等发现石墨烯展现出独特的半整数量子霍尔阶梯，这源于石墨烯的四重简并（自旋和赝自旋）与非平庸拓扑结构。
分数量子霍尔效应： 在超高质量（悬浮）石墨烯中出现分数量子霍尔液体，体现了强关联态的形成。
这些现象使石墨烯成为研究二维量子输运和强关联效应的重要试验平台。
在石墨烯基础上叠加异质层或扭转两层石墨烯形成莫尔超晶格，可进一步调控电子能带。2013年Dean等报道，当双层石墨烯与氮化硼(hBN)精确对准形成莫尔超晶格时，在高磁场下可观测到Hofstadter蝴蝶能谱。
实验确认了晶格周期和磁场相互作用产生分形能谱，在双层石墨烯/hBN中出现多条量子霍尔态，其霍尔电导量子化遵循整数形式但填充因子不再是普通Landau级分数。这一工作首次实验证实了霍夫施塔特分形量子霍尔效应在固态体系中的存在。
紧接其后，Ponomarenko等在相同实验条件下发现石墨烯/氮化硼莫尔超晶格中出现“二代狄拉克点”。他们观察到在石墨烯主中性点（原始狄拉克点）之外，导带和价带出现附加的狄拉克点，表现为对称的阻抗峰并伴随霍尔效应符号反转。这些“克隆”的狄拉克费米子源于莫尔势场开辟的新能带结构，验证了莫尔超晶格可人为塑造二维能带拓扑的可能性。
更重要的是“扭转石墨烯”领域的突破。2018年，Jarillo-Herrero团队报道了魔角双层石墨烯（两片石墨烯片略微扭转约1.1°）的平带关联物理。他们在该体系中发现，在平带半填充处出现莫特绝缘态，远离半填充则出现超导态。
这表明魔角双层石墨烯具有与高温超导体相似的相图（包括相关绝缘体和超导“穹顶”），将原子尺度调控的拓扑平带系统与强关联物理联系起来。紧随其后发表的第二篇文章进一步佐证了位于半填充处的相关绝缘行为。这两篇Nature文章共同奠定了“扭转石墨烯”研究的里程碑地位，将二维材料与量子模拟和高温超导研究联通起来。
近期又有更多莫尔超晶格相关的新发现：2020年Liu等在双双层石墨烯（两层扭转的双层）中观察到自旋极化的关联态。他们发现该体系在半填充和平带形成相关绝缘态，其能隙在平行磁场下增大，暗示铁磁序的存在。
2020年Chen等报道了ABC堆垛三层石墨烯/hBN莫尔超晶格中可调的切尔恩绝缘体。在垂直电场调控下，他们发现四分之一定域出现电子局域化的Chern绝缘态（量子反常霍尔效应），且伴随磁性迟滞和零场反常霍尔信号。这一发现证明了几乎平坦的莫尔能带中自发拓扑态（C=2）可在二维碳基材料中实现。
DOI: 10.1038/s41586-020-2458-7
Hofstadter分形能谱： 双层石墨烯/hBN超晶格在实验可及的磁场下展现出霍夫施塔特蝴蝶能谱，观察到非整数填充分段的量子霍尔台阶。
狄拉克费米子克隆： 石墨烯/氮化硼对准后产生莫尔势，导致新的“二代”和“三代”狄拉克点出现。
扭曲双层石墨烯关联物理： 魔角TBG在平带半填充产生相关莫特绝缘态，掺杂后出现超导态，形成类高温超导相图。
扭曲双双层铁磁关联态： 扭曲双双层石墨烯展现出自旋极化的关联绝缘态，能隙受磁场增强表明铁磁序。
切尔恩绝缘体： ABC三层石墨烯/hBN莫尔超晶格在四分之一定域实现C=2的自发切尔恩绝缘态，即零场量子反常霍尔效应，同时伴有铁磁迟滞。
这些研究揭示莫尔超晶格可作为人工晶格来调控电子拓扑和关联，为探索新型量子物态提供了丰富平台。
除了电子系统，二维材料还包括具有磁性的新体系。根据梅尔茨-瓦格纳定理，纯二维各向同性铁磁在有限温度下不应存在长程有序，但实际二维晶体常伴有磁各向异性，从而可能实现稳定磁性。
2017年，Xu等实验证明单层三碘化铬CrI3是Ising型铁磁体，其自旋取向垂直面内，单层的居里温度约45 K，仅略低于体相61 K。他们还发现双层CrI3因层间相反磁耦合而表现为反铁磁，三层则恢复铁磁序。该研究首次展示了天然二维晶体在单层极限下具有内禀磁性，为二维磁学和自旋电子学带来新机遇。
几乎同时，Zhang等报道了纯净Cr2Ge2Te6薄层中也存在铁磁有序。该材料在双层仍表现出铁磁相，并且在微小外磁场下可显著调节其铁磁相变温度，这与体相下对场强不敏感形成对比。这说明Cr2Ge2Te6近似为理想二维Heisenberg铁磁体，可作为研究二维自旋动力学的实验平台。
二维铁磁突破： 发现CrItextsubscript{3}和Crtextsubscript{2}Getextsubscript{2}Tetextsubscript{6}在单层或双层极限下保留铁磁顺序。这些层状磁体具备内禀磁各向异性，可克服热涨落，呈现出室温以下的铁磁态。
厚度依赖的磁相：CrItextsubscript{3}显示厚度依赖的磁性：单层铁磁、双层反铁磁、三层铁磁。Crtextsubscript{2}Getextsubscript{2}Tetextsubscript{6}双层已证实稳定铁磁。
新二维磁现象： 这些实验为探索二维磁体的量子振荡、磁电效应和拓扑磁子奠定基础。比如后续研究已在WTetextsubscript{2}等材料中发现磁拓扑输运效应（暂不列出具体Nature论文，但属“补充”新方向）。
这些发现拓宽了二维材料领域的研究范围，使得自旋电子学和磁光学等应用成为可能。
二维材料因超薄结构和调控灵活性在电子、光学和自旋电子学应用中具有巨大潜力。石墨烯的高迁移率和机械强度使其成为下一代电子器件、柔性电子和传感器的候选材料；
其量子霍尔效应和狄拉克拓扑也为量子电标准和拓扑器件提供思路。莫尔超晶格平台的可调性使得人们可以电控量子材料——通过扭角、电场或压力在同一材料上探寻金属、绝缘、磁性和超导的转换，有望在量子计算和模拟中发挥作用。
二维铁磁体的发现为超高密度磁存储、自旋逻辑和磁光器件开辟了道路。未来研究将继续挖掘二维材料在纳米电子学、能源和光电领域的创新应用，同时深化对二维关联和拓扑物理的理解。
综上，《Nature》期刊近二十年的二维材料文章揭示了石墨烯等典型二维体系的独特物理（如狄拉克费米子和量子霍尔现象）、莫尔超晶格人造能带的丰富关联态（分形态、拓扑态、超导态等）、以及具有实用意义的二维磁体等进展。这些成果不仅丰富了基础物理，更指引了新型器件和技术的发展方向，为跨学科研究者提供了广阔的探索空间。
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