上海科技大学，最新Nature!

1.【科学背景】

魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）因其独特的可调谐性而受到广泛关注，它为研究强相关电子现象提供了一个通用平台。在这一低密度电子系统中，已经观察到了多种电子态，包括超导性、强关联绝缘态、伪间隙相、拓扑相和轨道磁性等。这些现象很可能源于强电子库仑相互作用的复杂交织，在平带系统中，这种相互作用甚至可以超越动能的影响。然而，对于这种非传统超导态的起源，目前尚无定论，研究人员提出了多种配对机制，如强电子关联、电子-声子相互作用、自旋涨落和自旋共振等。 近几十年来，角分辨光电发射光谱（ARPES）已成为研究量子材料的关键工具，它使得在动量空间中直接可视化电子结构成为可能。然而，二维材料器件的微小尺寸（通常在1-10微米范围内）以及MATBG器件普遍存在的扭转角不均匀性，对传统ARPES技术的空间分辨率提出了挑战。得益于高通量X射线光学的最新进展，现在可以实现利用亚微米级的空间精度（μ-ARPES）进行高质量ARPES测量，这一技术特别适合解析MATBG器件中复杂的电子结构。

2.【创新成果】

基于以上研究背景，上海科技大学陈宇林教授、美国埃默里大学王耀（共同通讯作者）等人利用具有微米级空间分辨率的μ-ARPES技术，深入探究了超导MATBG的特性，尤其是当其与六方氮化硼（hBN）衬底不对齐时的情况，揭示了强电子-声子耦合（EPC）的存在。相关研究成果以“Strong electron–phonon coupling in magic-angle twisted bilayer graphenes”为题发表在最新Nature期刊上。

图1. μ-ARPES测试和MATBG器件几何构型。© 2024 Springer Nature

图2. 超导MATBG（hBN不对齐）中平带复制品的观测。© 2024 Springer Nature

研究发现，超导MATBG中存在平带的复制品现象。这些复制品能量间隔均匀，误差范围内约为150±15 meV，这一结果强烈表明了强电子-声子耦合的存在。尤为重要的是，在非超导的扭曲双层石墨烯（TBG）系统中，无论是在MATBG与hBN对齐的情况下，还是当TBG偏离了所谓“神奇角度”时，这些平带的复制品均未被观测到。

图3. 在非超导TBG器件中不存在平带复制品。© 2024 Springer Nature

图4. MATBG中的谷间电子-声子耦合。© 2024 Springer Nature

3.【科学启迪】

在本工作中， 作者利用具有微米级空间分辨率的μ-ARPES技术，揭示了超导MATBG中电子-声子耦合（EPC）的神奇特性。尽管这些研究成果并不能直接将电子-声子耦合认定为MATBG中的超导驱动力，但它们无疑揭示了超导MATBG内在的电子结构，为解读其超导性的非传统电子环境提供了不可或缺的关键信息。这些发现，为解开MATBG超导性的神秘面纱以及探索其潜在的应用前景，奠定了坚实的科学基础。

原文详情：Chen, et al. Strong electron–phonon coupling in magic-angle twisted bilayer graphene. Nature. (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08227-w。