魔角扭曲双层石墨烯(MATBG)因独特的可调谐性备受瞩目,是研究强相关电子现象的通用平台。在其低密度电子系统里,已观测到超导性、强关联绝缘态、伪间隙相、拓扑相和轨道磁性等多种电子态。这些现象大概率源于强电子库仑相互作用的复杂交织,在平带系统中,该相互作用甚至能超越动能影响。不过,这种非传统超导态的起源尚无定论,研究人员提出了强电子关联、电子 - 声子相互作用、自旋涨落和自旋共振等多种配对机制。
近几十年来,角分辨光电发射光谱(ARPES)成为研究量子材料的关键工具,能在动量空间直接可视化电子结构。但二维材料器件尺寸微小(通常在 1 - 10 微米范围)以及 MATBG 器件普遍存在的扭转角不均匀性,对传统 ARPES 技术的空间分辨率构成挑战。得益于高通量 X 射线光学的最新进展,如今可利用亚微米级空间精度(μ - ARPES)进行高质量 ARPES 测量,该技术尤其适合解析 MATBG 器件的复杂电子结构。
上海科技大学陈宇林教授与美国埃默里大学王耀(共同通讯作者)等运用 μ - ARPES 技术深入探究超导 MATBG(尤其是与六方氮化硼(hBN)衬底不对齐时)的特性,发现了强电子 - 声子耦合(EPC)现象。相关成果以 “Strong electron–phonon coupling in magic-angle twisted bilayer graphenes” 发表于 Nature 期刊。
研究表明,超导 MATBG 中存在平带复制品现象。这些复制品能量间隔均匀,约为 150 ± 15 meV,有力证明了强电子 - 声子耦合的存在。关键是,在非超导的扭曲双层石墨烯(TBG)系统中,无论是 MATBG 与 hBN 对齐时,还是 TBG 偏离 “神奇角度” 时,均未观测到平带复制品。
本研究利用 μ - ARPES 技术揭示了超导 MATBG 中电子 - 声子耦合的特殊性质。尽管这些成果不能直接认定电子 - 声子耦合是 MATBG 超导的驱动力,但展现了超导 MATBG 的内在电子结构,为理解其超导性的特殊电子环境提供了关键信息,为揭开 MATBG 超导之谜与探索潜在应用前景筑牢了科学根基。
原文来自:Chen, et al. Strong electron–phonon coupling in magic-angle twisted bilayer graphene. Nature. (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08227-w。