魔角石墨烯超导机理研究成果在《自然》发表 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，并且确定了相应的声子模式。这一发现对科研人员理解魔角石墨烯的超导机理具有重要意义。北京时间12月11日晚，相关研究成果以“Strong Electron-Phonon Coupling in Magic-Angle Twisted Bilayer Graphene ”(双层魔角石墨烯中的强电子-声子耦合)为题，在线发表于国际学术期刊《自然》（Nature）。
魔角石墨烯自2018年发现以来，因其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，魔角石墨烯中还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。这一基础研究的成果，具有潜在的量子计算应用价值。魔角石墨烯中存在的多种新奇电子态及其复杂的相互作用吸引科学家们开展了大量实验和理论研究，但对其精细的电子结构，特别是对其超导现象起源的理解，目前仍未有定论。
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，过去几十年里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。经过不懈努力，科研人员已逐步开发出具有亚微米量级空间分辨率的Nano-ARPES技术，例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（S2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，上海科技大学陈宇林-陈成团队利用Nano-ARPES技术（上海光源S2线站以及美国先进光源Maestro线站），对双层转角石墨烯的电子结构进行了系统表征（图1a）。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（150meV，图1b）；而在非超导的魔角石墨烯（由其与氮化硼衬底相互作用导致）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（图2c）。而系统的实验结果（图2d）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。
本研究由上海科技大学拓扑物理实验室联合牛津大学、普林斯顿大学、美国劳伦斯伯克利国家实验室以及埃默里大学等单位协作完成。上海科技大学为第一完成单位，拓扑物理实验室助理教授陈成为论文的第一作者，拓扑物理实验室陈宇林教授与埃默里大学王耀教授为通讯作者。本项研究中，Nano-ARPES实验测量由上海科技大学拓扑物理实验室与牛津大学团队完成；实验样品由普林斯顿大学Ali Yazdani团队制备；理论分析及计算模拟由埃默里大学王耀、普林斯顿大学Andrei Bernevig、宾州州立大学刘朝星、香港科技大学戴希团队完成。拓扑物理实验室柳仲楷教授和刘健鹏教授团队参与了部分实验及理论工作。
这项研究是国际合作的成果，展示了跨国界科研合作的力量，也突显了全球化科学研究的重要性。
图1 a.Nano-ARPES测量魔角石墨烯器件示意图；
b.超导魔角石墨烯的平带复制现象
图2 c.超导魔角石墨烯中的谷间-电声子耦合机制示意图;
d.转角石墨烯中超导电性与平带复制（强电声子耦合）的关联
图3 超导魔角石墨烯中电声子耦合的示意图
论文标题：Strong Electron-Phonon Coupling in Magic-Angle Twisted Bilayer Graphene
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08227-w