超导魔角石墨烯中的强谷间电声子耦合效应

上海科技大学物质科学与技术学院拓扑物理实验室陈宇林、陈成团队利用纳米角分辨光电子能谱（Nano-ARPES）技术，发现了超导魔角石墨烯中显著的谷间-电声子耦合效应，并确定了相应的声子模式。这一发现对理解魔角石墨烯的超导机理具有重要意义。日前，相关成果在线发表于《自然》。

超导魔角石墨烯中电声子耦合示意图

自被发现以来，魔角石墨烯因超导电性和强关联电子特性成为国际凝聚态物理研究的热点。其超导性来源于双层转角石墨烯在“魔角”条件下的平展能带，这极大增强了电子的相互作用，为研究莫特绝缘态、高温超导等强关联电子体系提供了新平台。此外，魔角石墨烯中存在独特的量子反常霍尔效应拓扑态，为实现拓扑超导等奇异量子态提供了可能。然而，科学家对魔角石墨烯精细的电子结构，特别是对其超导现象起源的理解尚未有定论。

角分辨光电子能谱（ARPES）作为一种能直接测量材料的精细电子结构的技术，已在探索高温超导机理和新型拓扑量子材料的发现中发挥了重要作用。然而由于魔角石墨烯器件的空间尺寸仅有微米量级，受限于亚毫米量级的空间分辨率，传统ARPES技术难以发挥作用。科研人员已开发出具有亚微米量级空间分辨率的Nano-ARPES技术，如上海科技大学拓扑物理实验室团队与上海光源共同建设的上海同步辐射光源二期工程中纳米自旋与磁学线站，能够精确测量微米尺度量子材料的电子结构。

本研究中，陈宇林、陈成团队利用Nano-ARPES技术，对双层转角石墨烯的电子结构进行了系统表征。研究人员在超导魔角石墨烯的电子能谱中首次发现了新奇的平带复制现象，并且平带与复制带之间具有固定的能量间隔；而在非超导的魔角石墨烯或者不超导的非魔角石墨烯中，均未观察到类似现象。实验结果结合理论计算分析表明，这些平带复制现象来源于超导魔角石墨烯中平带电子与具有150meV能量的谷间声子强耦合。系统的实验结果进一步表明，该电声子耦合与转角石墨烯中的超导电性高度相关。这些研究结果揭示了超导魔角石墨烯的独特电子结构，为理解其超导起源及其独特性质指出了方向。

该工作中使用的Nano-ARPES技术能被广泛用于纳米材料与微纳器件的电子结构表征，为理解这些材料与器件中展现的新奇物态与独特功能提供了有效研究手段，并进一步为设计与探索新型量子材料提供了支持。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08227-w