第一單位!科技大學(xué),超導(dǎo)魔角石墨烯發(fā)Nature

北京時(shí)間12月11日晚，上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院拓?fù)湮锢韺?shí)驗(yàn)室陳宇林-陳成團(tuán)隊(duì)利用納米角分辨光電子能譜（Nano-ARPES）技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)魔角石墨烯中顯著的谷間-電聲子耦合效應(yīng)，并且確定了相應(yīng)的聲子模式。相關(guān)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(qiáng)電子-聲子耦合）為題，在線發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)科研人員理解魔角石墨烯的超導(dǎo)機(jī)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(dǎo)電性和強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子特性成為國(guó)際凝聚態(tài)物理研究的熱點(diǎn)。其超導(dǎo)性來源于雙層轉(zhuǎn)角石墨烯在“魔角”條件下的平展能帶，這極大增強(qiáng)了電子的相互作用，為研究莫特絕緣態(tài)、高溫超導(dǎo)等強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系提供了新平臺(tái)。此外，魔角石墨烯中還存在獨(dú)特的量子反?；魻栃?yīng)拓?fù)鋺B(tài)，為實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)等奇異量子態(tài)提供了可能。這一基礎(chǔ)研究的成果，具有潛在的量子計(jì)算應(yīng)用價(jià)值。魔角石墨烯中存在的多種新奇電子態(tài)及其復(fù)雜的相互作用吸引科學(xué)家們開展了大量實(shí)驗(yàn)和理論研究，但對(duì)其精細(xì)的電子結(jié)構(gòu)，特別是對(duì)其超導(dǎo)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(cè)量材料的精細(xì)電子結(jié)構(gòu)的技術(shù)，過去幾十年里已在探索高溫超導(dǎo)機(jī)理和新型拓?fù)淞孔硬牧系陌l(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(jí)，受限于亞毫米量級(jí)的空間分辨率，傳統(tǒng)ARPES技術(shù)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(jí)空間分辨率的Nano-ARPES技術(shù)，例如上?？萍即髮W(xué)拓?fù)湮锢韺?shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)與上海光源共同建設(shè)的上海同步輻射光源二期工程中納米自旋與磁學(xué)線站（S2線站），能夠精確測(cè)量微米尺度量子材料的電子結(jié)構(gòu)。

本研究中，上?？萍即髮W(xué)陳宇林-陳成團(tuán)隊(duì)利用Nano-ARPES技術(shù)（上海光源S2線站以及美國(guó)先進(jìn)光源Maestro線站），對(duì)雙層轉(zhuǎn)角石墨烯的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)表征（圖1a）。在超導(dǎo)魔角石墨烯的電子能譜中首次發(fā)現(xiàn)了新奇的平帶復(fù)制現(xiàn)象，并且平帶與復(fù)制帶之間具有固定的能量間隔（150meV，圖1b）；而在非超導(dǎo)的魔角石墨烯（由其與氮化硼襯底相互作用導(dǎo)致）或者不超導(dǎo)的非魔角石墨烯中，均未觀察到類似現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合理論計(jì)算分析表明，這些平帶復(fù)制現(xiàn)象來源于超導(dǎo)魔角石墨烯中平帶電子與具有150meV能量的谷間聲子強(qiáng)耦合（圖2c）。而系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖2d）進(jìn)一步表明，該電聲子耦合與轉(zhuǎn)角石墨烯中的超導(dǎo)電性高度相關(guān)。這些研究結(jié)果揭示了超導(dǎo)魔角石墨烯的獨(dú)特電子結(jié)構(gòu)，為理解其超導(dǎo)起源及其獨(dú)特性質(zhì)指出了方向。

圖1 a.Nano-ARPES測(cè)量魔角石墨烯器件示意圖；

b.超導(dǎo)魔角石墨烯的平帶復(fù)制現(xiàn)象

圖2 c.超導(dǎo)魔角石墨烯中的谷間-電聲子耦合機(jī)制示意圖; d.轉(zhuǎn)角石墨烯中超導(dǎo)電性與平帶復(fù)制（強(qiáng)電聲子耦合）的關(guān)聯(lián)

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

本研究由上?？萍即髮W(xué)拓?fù)湮锢韺?shí)驗(yàn)室聯(lián)合牛津大學(xué)、普林斯頓大學(xué)、美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及埃默里大學(xué)等單位協(xié)作完成。上?？萍即髮W(xué)為第一完成單位，拓?fù)湮锢韺?shí)驗(yàn)室助理教授陳成為論文的第一作者，拓?fù)湮锢韺?shí)驗(yàn)室陳宇林教授與埃默里大學(xué)王耀教授為通訊作者。本項(xiàng)研究中，Nano-ARPES實(shí)驗(yàn)測(cè)量由上?？萍即髮W(xué)拓?fù)湮锢韺?shí)驗(yàn)室與牛津大學(xué)團(tuán)隊(duì)完成；實(shí)驗(yàn)樣品由普林斯頓大學(xué)Ali Yazdani團(tuán)隊(duì)制備；理論分析及計(jì)算模擬由埃默里大學(xué)王耀、普林斯頓大學(xué)Andrei Bernevig、賓州州立大學(xué)劉朝星、香港科技大學(xué)戴希團(tuán)隊(duì)完成。拓?fù)湮锢韺?shí)驗(yàn)室柳仲楷教授和劉健鵬教授團(tuán)隊(duì)參與了部分實(shí)驗(yàn)及理論工作。這項(xiàng)研究是國(guó)際合作的成果，展示了跨國(guó)界科研合作的力量，也突顯了全球化科學(xué)研究的重要性。