超導魔角石墨烯中的強谷間電聲子耦合效應

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，發現了超導魔角石墨烯中顯著的谷間-電聲子耦合效應，并確定了相應的聲子模式。這一發現對理解魔角石墨烯的超導機理具有重要意義。日前，相關成果在線發表于《自然》。

超導魔角石墨烯中電聲子耦合示意圖

自被發現以來，魔角石墨烯因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、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。然而，科學家對魔角石墨烯精細的電子結構，特別是對其超導現象起源的理解尚未有定論。

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，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ARPES技術難以發揮作用。科研人員已開發出具有亞微米量級空間分辨率的Nano-ARPES技術，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納米自旋與磁學線站，能夠精確測量微米尺度量子材料的電子結構。

本研究中，陳宇林、陳成團隊利用Nano-ARPES技術，對雙層轉角石墨烯的電子結構進行了系統表征。研究人員在超導魔角石墨烯的電子能譜中首次發現了新奇的平帶復制現象，并且平帶與復制帶之間具有固定的能量間隔；而在非超導的魔角石墨烯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，這些平帶復制現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。系統的實驗結果進一步表明，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的新奇物態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。

相關論文信息：

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