魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）的超导体特性，引起了人们广泛的研究兴趣。
然而，尽管研究者们进行了大量的实验并提出了几种可能的配对机制，但其超导性的起源仍然难以捉摸。
基于此，来自美国埃默里大学与克莱门森大学的王耀教授，以及来自牛津大学与上海科技大学的陈宇林教授等研究者等人，利用具有微米空间分辨率的角度分辨光发射光谱技术，揭示了超导魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）中的平带复制现象。该研究发现，MATBG与其六方氮化硼（h-BN）衬底未完全对齐，从而影响了电子的行为。相关研究论文题为《Strong electron–phonon coupling in magic-angle twisted bilayer graphene》，已于2024年12月11日发表在《Nature》期刊上。
魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）因其卓越的可调性，成为研究强关联电子现象的一个重要平台，吸引了广泛的关注。在这一低密度电子体系中，研究者观察到了多种独特的电子态，包括超导性、强关联绝缘态、伪能隙相、拓扑相以及轨道磁性等。
强电子库仑相互作用的复杂作用可能是这些现象的根本原因，尤其是在平带系统中，库仑相互作用的强度往往超过了动能，从而导致了多种独特的电子态的出现。然而，超导态的起源仍然难以捉摸。关于超导配对机制的研究提出了多种假设，包括强电子关联、电子-声子相互作用、自旋波动以及斯格明子等。
近年来，角分辨光电子能谱（ARPES）作为研究量子材料的重要工具，已成为直接可视化动量空间中电子结构的关键手段。然而，二维材料器件通常具有较小的尺寸（一般为1-10微米），且在魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）中常见的扭曲角不均匀性使得传统ARPES技术面临显著挑战。传统ARPES的空间分辨率通常仅为50-500微米。
幸运的是，近期高通量X射线光学技术的进步使得研究者能够进行亚微米空间精度的高质量ARPES测量（μ-ARPES）。这一技术突破使得研究者能够以更高的空间分辨率探测MATBG器件中的复杂电子结构。
在本研究中，研究者利用μ-ARPES测量技术，研究并比较了超导性魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）器件（未与六方氮化硼（hBN）基底对齐）与非超导性扭曲双层石墨烯（TBG）体系，包括hBN对齐的MATBG和偏离魔角的TBG。研究发现，在超导性MATBG器件中（未与hBN对齐），在较高的结合能处出现了一组平带的复制品。这些复制品展现出强烈的谱强度特征，模拟了原平带的能量和动量特性。值得注意的是，这些复制品在整个莫尔布里渊区的动量范围内均有分布，并保持约150 ± 15 meV的均匀能量间隔。
相反，在相同的实验条件下，非超导性扭曲双层石墨烯（TBG）（无论是hBN对齐的MATBG还是偏离魔角的TBG）并未显示出平带复制品。这些实验结果表明，平带复制品的形成机制与MATBG中超导性的出现之间存在密切的联系。
在单粒子ARPES光谱中，观察到较高结合能处的复制带超出了非相互作用带理论的预测，通常这表明其源自强关联效应。通过理论分析和非微扰的多体模拟，研究者发现，在超导性魔角扭曲双层石墨烯（MATBG，未与六方氮化硼（hBN）对齐）器件中，这些观察到的复制品可以归因于平带电子与石墨烯K点的横向光学声子模式之间的强耦合。该过程通过跨谷散射机制得以实现。
值得注意的是，这种耦合在非超导性扭曲双层石墨烯（TBG）器件中减弱，包括hBN对齐的MATBG和偏离魔角的TBG。总的来说，研究者的发现为揭示MATBG中平带电子与玻色自由度之间复杂的相互作用提供了宝贵的见解，进一步揭示了超导性出现的复杂电子配置。
图1 μ-ARPES测量和MATBG器件几何形状
图2 超导MATBG(hBN未对准)平带复制品的观察
图3 在非超导TBG器件中缺乏平带复制品
图4 MATBG中的山谷EPC
综上所述，该研究结果强调了跨谷声子模式在超导性MATBG中的重要性，尽管它们不一定是主导因素。这些跨谷声子模式通过方式与铁基高温超导体中类似的方式作用于平带电子态。
展望未来，研究者预计即将开展的实验研究将为揭示驱动复制平带形成的微观机制与支撑扭曲石墨烯系统超导性的机制之间的联系提供更多见解。例如，类似的复制平带可能会出现在超导性魔角扭曲三层石墨烯中，而在非超导性的扭曲单层-双层石墨烯中则可能缺失。
此外，研究者预计μ-ARPES（以及更先进的纳米ARPES）的独特能力将在研究莫尔结构系统中的强关联效应方面得到广泛应用。
Chen, C., Nuckolls, K.P., Ding, S. et al. Strong electron–phonon coupling in magic-angle twisted bilayer graphene. Nature 636, 342–347 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08227-w
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