第一單位!科技大學,超導魔角石墨烯發(fā)Nature

北京時間12月11日晚，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-陳成團隊利用納米角分辨光電子能譜（Nano-ARPES）技術，發(fā)現(xiàn)了超導魔角石墨烯中顯著的谷間-電聲子耦合效應，并且確定了相應的聲子模式。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，在線發(fā)表于國際學術期刊《自然》（Nature）。這一發(fā)現(xiàn)對科研人員理解魔角石墨烯的超導機理具有重要意義。

魔角石墨烯自2018年發(fā)現(xiàn)以來，因其超導電性和強關聯(lián)電子特性成為國際凝聚態(tài)物理研究的熱點。其超導性來源于雙層轉角石墨烯在“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(tài)、高溫超導等強關聯(lián)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(tài)，為實現(xiàn)拓撲超導等奇異量子態(tài)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(tài)及其復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(xiàn)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，過去幾十年里已在探索高溫超導機理和新型拓撲量子材料的發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮了重要作用。然而由于魔角石墨烯器件的空間尺寸僅有微米量級，受限于亞毫米量級的空間分辨率，傳統(tǒng)ARPES技術難以發(fā)揮作用。經(jīng)過不懈努力，科研人員已逐步開發(fā)出具有亞微米量級空間分辨率的Nano-ARPES技術，例如上?？萍即髮W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納米自旋與磁學線站（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?？萍即髮W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(tǒng)表征（圖1a）。在超導魔角石墨烯的電子能譜中首次發(fā)現(xiàn)了新奇的平帶復制現(xiàn)象，并且平帶與復制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(xiàn)象。實驗結果結合理論計算分析表明，這些平帶復制現(xiàn)象來源于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(tǒng)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。

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復制現(xiàn)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復制（強電聲子耦合）的關聯(lián)

該工作中使用的Nano-ARPES技術能被廣泛用于納米材料與微納器件的電子結構表征，為理解這些材料與器件中展現(xiàn)的新奇物態(tài)與獨特功能提供了有效研究手段，并進一步為設計與探索新型量子材料提供了支持。

本研究由上?？萍即髮W拓撲物理實驗室聯(lián)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里大學等單位協(xié)作完成。上?？萍即髮W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里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團隊制備；理論分析及計算模擬由埃默里大學王耀、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。