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上(shang)海科(ke)技(ji)(ji)大學(xue)物質科(ke)學(xue)與技(ji)(ji)術學(xue)院(yuan)拓撲物理(li)實驗室陳宇林-陳成團隊(dui)利用納米角(jiao)分(fen)辨光電子(zi)能譜(Nano-ARPES)技(ji)(ji)術，發現了(le)超(chao)(chao)導(dao)(dao)魔角(jiao)石墨(mo)烯中顯著的(de)谷間(jian)-電聲子(zi)耦(ou)合效應，并且確定了(le)相(xiang)應的(de)聲子(zi)模式。這(zhe)一發現對科(ke)研人(ren)員(yuan)理(li)解魔角(jiao)石墨(mo)烯的(de)超(chao)(chao)導(dao)(dao)機理(li)具(ju)有(you)重要意義。北(bei)京(jing)時(shi)間(jian)12月11日晚，相(xiang)關研究成果以“Strong Electron-Phonon Coupling in Magic-Angle Twisted Bilayer Graphene ”(雙層魔角(jiao)石墨(mo)烯中的(de)強(qiang)電子(zi)-聲子(zi)耦(ou)合)為題，在線發表(biao)于國際學(xue)術期刊(kan)《自(zi)然(ran)》(Nature)。
魔(mo)(mo)角石(shi)墨烯(xi)自2018年(nian)發現(xian)以來，因其(qi)超(chao)導(dao)(dao)電(dian)性(xing)和(he)強(qiang)關聯電(dian)子(zi)(zi)特性(xing)成(cheng)為(wei)國際凝聚態(tai)物理研(yan)(yan)究(jiu)的熱(re)點。其(qi)超(chao)導(dao)(dao)性(xing)來源于(yu)雙層轉(zhuan)角石(shi)墨烯(xi)在(zai)“魔(mo)(mo)角”條件下(xia)的平展(zhan)能(neng)帶(dai)，這極大增強(qiang)了電(dian)子(zi)(zi)的相互(hu)作用(yong)，為(wei)研(yan)(yan)究(jiu)莫特絕緣態(tai)、高溫超(chao)導(dao)(dao)等強(qiang)關聯電(dian)子(zi)(zi)體系提供(gong)了新平臺。此外，魔(mo)(mo)角石(shi)墨烯(xi)中還存在(zai)獨(du)特的量(liang)子(zi)(zi)反常霍爾(er)效應(ying)拓撲態(tai)，為(wei)實現(xian)拓撲超(chao)導(dao)(dao)等奇(qi)異量(liang)子(zi)(zi)態(tai)提供(gong)了可能(neng)。這一基礎(chu)研(yan)(yan)究(jiu)的成(cheng)果，具有潛在(zai)的量(liang)子(zi)(zi)計(ji)算應(ying)用(yong)價(jia)值。魔(mo)(mo)角石(shi)墨烯(xi)中存在(zai)的多種(zhong)新奇(qi)電(dian)子(zi)(zi)態(tai)及其(qi)復(fu)雜(za)的相互(hu)作用(yong)吸引(yin)科學家們開展(zhan)了大量(liang)實驗(yan)和(he)理論研(yan)(yan)究(jiu)，但對(dui)其(qi)精細(xi)的電(dian)子(zi)(zi)結構(gou)，特別是(shi)對(dui)其(qi)超(chao)導(dao)(dao)現(xian)象(xiang)起源的理解，目前仍未有定(ding)論。
角分(fen)辨(bian)光(guang)電(dian)子(zi)能譜(pu)(ARPES)作為一種能直接測量(liang)(liang)材料的(de)(de)(de)(de)精(jing)細(xi)電(dian)子(zi)結構的(de)(de)(de)(de)技術，過去(qu)幾(ji)十年里已(yi)(yi)在探索高溫超導機(ji)理和新型拓撲(pu)量(liang)(liang)子(zi)材料的(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)現(xian)中(zhong)發(fa)(fa)揮了重要(yao)作用。然而由于魔角石墨烯(xi)器件的(de)(de)(de)(de)空間(jian)(jian)尺(chi)寸(cun)僅有(you)微(wei)米(mi)量(liang)(liang)級(ji)，受(shou)限于亞毫米(mi)量(liang)(liang)級(ji)的(de)(de)(de)(de)空間(jian)(jian)分(fen)辨(bian)率(lv)，傳統ARPES技術難以發(fa)(fa)揮作用。經過不懈努(nu)力，科研人(ren)員已(yi)(yi)逐步開發(fa)(fa)出具有(you)亞微(wei)米(mi)量(liang)(liang)級(ji)空間(jian)(jian)分(fen)辨(bian)率(lv)的(de)(de)(de)(de)Nano-ARPES技術，例如上(shang)海(hai)科技大(da)學拓撲(pu)物理實驗室團隊(dui)與(yu)上(shang)海(hai)光(guang)源(yuan)共(gong)同(tong)建設的(de)(de)(de)(de)上(shang)海(hai)同(tong)步輻(fu)射光(guang)源(yuan)二期工程中(zhong)納米(mi)自旋與(yu)磁學線(xian)站(S2線(xian)站)，能夠精(jing)確測量(liang)(liang)微(wei)米(mi)尺(chi)度量(liang)(liang)子(zi)材料的(de)(de)(de)(de)電(dian)子(zi)結構。
本研(yan)究(jiu)中，上(shang)(shang)海科技大學(xue)陳宇林-陳成團隊(dui)利用Nano-ARPES技術(shu)(上(shang)(shang)海光(guang)源S2線(xian)站以及美國(guo)先(xian)進(jin)光(guang)源Maestro線(xian)站)，對雙層轉角(jiao)石墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)的(de)(de)電(dian)子結(jie)構進(jin)行了系(xi)統表征(圖(tu)(tu)1a)。在(zai)超(chao)導魔(mo)角(jiao)石墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)的(de)(de)電(dian)子能譜中首次發(fa)現了新奇的(de)(de)平帶復(fu)制現象，并且平帶與復(fu)制帶之間(jian)具有固定的(de)(de)能量(liang)間(jian)隔(150meV，圖(tu)(tu)1b);而在(zai)非(fei)(fei)超(chao)導的(de)(de)魔(mo)角(jiao)石墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)(由(you)其與氮化(hua)硼(peng)襯底(di)相互作(zuo)用導致)或者不超(chao)導的(de)(de)非(fei)(fei)魔(mo)角(jiao)石墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)中，均未觀察到類似(si)現象。實驗(yan)結(jie)果結(jie)合(he)(he)(he)理(li)論計算分析表明，這些平帶復(fu)制現象來源于(yu)超(chao)導魔(mo)角(jiao)石墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)中平帶電(dian)子與具有150meV能量(liang)的(de)(de)谷(gu)間(jian)聲子強耦合(he)(he)(he)(圖(tu)(tu)2c)。而系(xi)統的(de)(de)實驗(yan)結(jie)果(圖(tu)(tu)2d)進(jin)一步表明，該電(dian)聲子耦合(he)(he)(he)與轉角(jiao)石墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)中的(de)(de)超(chao)導電(dian)性高度相關。這些研(yan)究(jiu)結(jie)果揭示了超(chao)導魔(mo)角(jiao)石墨(mo)(mo)(mo)烯(xi)的(de)(de)獨(du)特(te)電(dian)子結(jie)構，為(wei)理(li)解其超(chao)導起源及其獨(du)特(te)性質指出了方向(xiang)。
該工作中使用(yong)的(de)Nano-ARPES技術能被廣泛(fan)用(yong)于納米(mi)材料與(yu)微(wei)納器(qi)件的(de)電(dian)子結構(gou)表征，為(wei)理解這(zhe)些材料與(yu)器(qi)件中展(zhan)現的(de)新(xin)(xin)奇(qi)物態與(yu)獨特功能提供了有效研究手(shou)段，并進一步為(wei)設計與(yu)探索新(xin)(xin)型量(liang)子材料提供了支持。
本研究由上海科(ke)(ke)技(ji)大(da)(da)(da)學拓撲物(wu)理(li)(li)實(shi)驗(yan)(yan)(yan)室(shi)(shi)聯合(he)牛(niu)津大(da)(da)(da)學、普(pu)林(lin)(lin)斯(si)頓(dun)(dun)大(da)(da)(da)學、美(mei)國(guo)勞倫斯(si)伯克利國(guo)家實(shi)驗(yan)(yan)(yan)室(shi)(shi)以(yi)及(ji)埃默里大(da)(da)(da)學等(deng)單位協(xie)作完成(cheng)(cheng)(cheng)。上海科(ke)(ke)技(ji)大(da)(da)(da)學為第(di)一(yi)完成(cheng)(cheng)(cheng)單位，拓撲物(wu)理(li)(li)實(shi)驗(yan)(yan)(yan)室(shi)(shi)助理(li)(li)教(jiao)授(shou)陳(chen)成(cheng)(cheng)(cheng)為論文(wen)的第(di)一(yi)作者，拓撲物(wu)理(li)(li)實(shi)驗(yan)(yan)(yan)室(shi)(shi)陳(chen)宇林(lin)(lin)教(jiao)授(shou)與埃默里大(da)(da)(da)學王(wang)耀教(jiao)授(shou)為通訊作者。本項研究中，Nano-ARPES實(shi)驗(yan)(yan)(yan)測量由上海科(ke)(ke)技(ji)大(da)(da)(da)學拓撲物(wu)理(li)(li)實(shi)驗(yan)(yan)(yan)室(shi)(shi)與牛(niu)津大(da)(da)(da)學團(tuan)(tuan)隊(dui)完成(cheng)(cheng)(cheng);實(shi)驗(yan)(yan)(yan)樣品由普(pu)林(lin)(lin)斯(si)頓(dun)(dun)大(da)(da)(da)學Ali Yazdani團(tuan)(tuan)隊(dui)制備(bei);理(li)(li)論分析及(ji)計算(suan)模擬由埃默里大(da)(da)(da)學王(wang)耀、普(pu)林(lin)(lin)斯(si)頓(dun)(dun)大(da)(da)(da)學Andrei Bernevig、賓(bin)州州立大(da)(da)(da)學劉朝星、香港科(ke)(ke)技(ji)大(da)(da)(da)學戴希團(tuan)(tuan)隊(dui)完成(cheng)(cheng)(cheng)。拓撲物(wu)理(li)(li)實(shi)驗(yan)(yan)(yan)室(shi)(shi)柳(liu)仲(zhong)楷教(jiao)授(shou)和劉健鵬教(jiao)授(shou)團(tuan)(tuan)隊(dui)參與了部分實(shi)驗(yan)(yan)(yan)及(ji)理(li)(li)論工(gong)作。
這(zhe)項研(yan)究是(shi)國(guo)際合作的(de)成果，展示了跨國(guo)界(jie)科研(yan)合作的(de)力量，也突顯(xian)了全球化科學(xue)研(yan)究的(de)重要性。
圖(tu)1 a.Nano-ARPES測量魔角石墨(mo)烯器件示意(yi)圖(tu)；
b.超導魔角石墨烯的平(ping)帶(dai)復制現象
圖2 c.超導魔角石墨(mo)烯中(zhong)的谷間(jian)-電聲子耦合(he)機制示(shi)意圖；
d.轉角石墨(mo)烯中超導(dao)電性與平帶(dai)復制(強(qiang)電聲子耦合)的(de)關聯
圖3 超導魔(mo)角(jiao)石墨烯中電(dian)聲子耦合的示意(yi)圖
論文標題(ti)：Strong Electron-Phonon Coupling in Magic-Angle Twisted Bilayer Graphene
論(lun)文鏈接：//www.nature.com/articles/s41586-024-08227-w
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