成果登上《自然》！上科大科研团队在魔角石墨烯超导机理研究中取得重大突破

近日，记者从上海科技大学获悉，该校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，并确定了相应的声子模式。12月11日晚，相关研究成果在线发表于国际学术期刊《自然》。

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。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）；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。而系统的实验结果进一步表明，该电声子耦合与转角石墨烯中的超导电性高度相关。

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，对科研人员理解魔角石墨烯的超导机理具有重要意义。

该研究是国际合作的成果，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，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。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。

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