魔角超導機理研究成果在《自然》發表
上海科技大學物質科學與技術學院拓撲物理實驗室陳宇林-陳成團隊利用奈米角分辨光電子能譜（Nano-ARPES）技術，發現了超導魔角石墨烯中顯著的谷間-電聲子耦合效應，並且確定了相應的聲子模式。這一發現對科研人員理解魔角石墨烯的超導機理具有重要意義。北京時間12月11日晚，相關研究成果以“Strong Electron-Phonon Coupling in Magic-Angle Twisted Bilayer Graphene ”(雙層魔角石墨烯中的強電子-聲子耦合)為題，線上發表於國際學術期刊《自然》（Nature）。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08227-w
魔角石墨烯自2018年發現以來，因其超導電性和強關聯電子特性成為國際凝聚態物理研究的熱點。其超導性來源於雙層轉角石墨烯在“魔角”條件下的平展能帶，這極大增強了電子的相互作用，為研究莫特絕緣態、高溫超導等強關聯電子體系提供了新平臺。此外，魔角石墨烯中還存在獨特的量子反常霍爾效應拓撲態，為實現拓撲超導等奇異量子態提供了可能。這一基礎研究的成果，具有潛在的量子計算應用價值。魔角石墨烯中存在的多種新奇電子態及其複雜的相互作用吸引科學家們開展了大量實驗和理論研究，但對其精細的電子結構，特別是對其超導現象起源的理解，目前仍未有定論。
角分辨光電子能譜（ARPES）作為一種能直接測量材料的精細電子結構的技術，過去幾十年裡已在探索高溫超導機理和新型拓撲量子材料的發現中發揮了重要作用。然而由於魔角石墨烯器件的空間尺寸僅有微米量級，受限於亞毫米量級的空間解析度，傳統ARPES技術難以發揮作用。經過不懈努力，科研人員已逐步開發出具有亞微米量級空間解析度的Nano-ARPES技術，例如上海科技大學拓撲物理實驗室團隊與上海光源共同建設的上海同步輻射光源二期工程中奈米自旋與磁學線站（S2線站），能夠精確測量微米尺度量子材料的電子結構。
本研究中，上海科技大學陳宇林-陳成團隊利用Nano-ARPES技術（上海光源S2線站以及美國先進光源Maestro線站），對雙層轉角石墨烯的電子結構進行了系統表徵（圖1a）。在超導魔角石墨烯的電子能譜中首次發現了新奇的平帶複製現象，並且平帶與複製帶之間具有固定的能量間隔（150meV，圖1b）；而在非超導的魔角石墨烯（由其與氮化硼襯底相互作用導致）或者不超導的非魔角石墨烯中，均未觀察到類似現象。實驗結果結合理論計算分析表明，這些平帶複製現象來源於超導魔角石墨烯中平帶電子與具有150meV能量的谷間聲子強耦合（圖2c）。而系統的實驗結果（圖2d）進一步表明，該電聲子耦合與轉角石墨烯中的超導電性高度相關。這些研究結果揭示了超導魔角石墨烯的獨特電子結構，為理解其超導起源及其獨特性質指出了方向。
該工作中使用的Nano-ARPES技術能被廣泛用於奈米材料與微納器件的電子結構表徵，為理解這些材料與器件中展現的新奇物態與獨特功能提供了有效研究手段，並進一步為設計與探索新型量子材料提供了支援。
本研究由上海科技大學拓撲物理實驗室聯合牛津大學、普林斯頓大學、美國勞倫斯伯克利國家實驗室以及埃默裡大學等單位協作完成。上海科技大學為第一完成單位，拓撲物理實驗室助理教授陳成為論文的第一作者，拓撲物理實驗室陳宇林教授與埃默裡大學王耀教授為通訊作者。本項研究中，Nano-ARPES實驗測量由上海科技大學拓撲物理實驗室與牛津大學團隊完成；實驗樣品由普林斯頓大學Ali Yazdani團隊製備；理論分析及計算模擬由埃默裡大學王耀、普林斯頓大學Andrei Bernevig、賓州州立大學劉朝星、香港科技大學戴希團隊完成。拓撲物理實驗室柳仲楷教授和劉健鵬教授團隊參與了部分實驗及理論工作。
這項研究是國際合作的成果，展示了跨國界科研合作的力量，也突顯了全球化科學研究的重要性。
圖1 a.Nano-ARPES測量魔角石墨烯器件示意圖；
b.超導魔角石墨烯的平帶複製現象
圖2 c.超導魔角石墨烯中的谷間-電聲子耦合機制示意圖;
d.轉角石墨烯中超導電性與平帶複製（強電聲子耦合）的關聯
圖3 超導魔角石墨烯中電聲子耦合的示意圖
來源：上海科技大學。
