当我们用铅笔在纸上画画时，也许并没有意识到黑色的石墨铅有什么神奇之处，但从微观物理科学的角度来看，它又是一个充满秘密的世界。石墨是一种碳素异形体，碳原子可以形成平面的六边形环状堆积结构，堆积起来就是石墨，由于这些层状结构只有微弱的结合力，很容易造成相互滑动、脱落。
石墨也因此表现出质地柔软和有油腻感的特点，不仅可以用来写字，还可以做润滑材料，同时科学家利用石墨材料较好的耐腐蚀性、导电性和导热性等特点，在工业上广泛使用。碳原子的神奇之处在于，它们的不同组合可以形成具有非常不同性质的材料。例如，在非常高的压力下，每个碳原子以四面体的形式与其他四个碳原子结合，形成一个三维的致密网络。这种结构的晶体是具有高透明度和超强硬度的钻石，与石墨相比变得不导电。
如果碳原子变成二维，其能力是什么？答案是十多年来在凝聚态物理学中炙手可热的一种超级材料：石墨烯。一般来说，它被称为单原子平面石墨。这种由单原子组成的晶体材料也被称为二维材料。众所周知，1毫米厚的石墨是由大约300万层石墨烯组成的。2004年，英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈-盖姆和康斯坦丁-诺沃谢洛夫在实验室中成功地从石墨中分离出石墨烯，并在室温下观察到石墨烯的量子霍尔效应。2010年，两人因其在石墨烯方面的开创性工作而分享了诺贝尔物理学奖。
石墨烯作为人类首次成功制备的二维材料，被科学家广泛赞誉为改变21世纪的材料之王，吸引着世界各地的物理学家对其进行深入研究。它不仅是人类已知的最坚固、最薄的纳米材料，而且具有超导性、优良的导热性和光学特性。一种新材料能在多大程度上得到应用，取决于对其物理特性的了解程度。在过去15年左右的时间里，石墨烯的研究已经进入了深水区，但我们对它的特性了解得多吗？美国麻省理工学院（MIT）物理系助理教授何龙，近年来通过整合光学、器件加工和电传输测量等跨领域的实验手段，揭示了更多关于石墨烯材料的新物理特性和应用前景，对二维材料的创新实验技术也起到了重要的物理研究作用。