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。

在此，来自美国埃默里大学&克莱门森大学的王耀和牛津大学&上海科技大学的陈宇林等研究者，通过使用具有微米空间分辨率的角度分辨光发射光谱，揭示了超导MATBG中的平带复制品，其中MATBG与其六方氮化硼衬底未对齐。相关论文以题为“Strong electron–phonon coupling in magic-angle twisted bilayer graphene”于2024年12月11日发表在Nature上。

魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）因其卓越的可调性而引起了广泛的研究兴趣，成为研究强关联电子现象的多功能平台。在这一低密度电子体系中，发现了许多电子态，如超导性、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相互作用，可能是这些现象的根本原因，尤其是在平带系统中，库仑相互作用可能超过了动能。然而，超导态的起源仍然难以捉摸，关于配对机制的提议包括强电子关联、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重要手段。然而，二维材料器件的尺寸通常较小（一般为1-10微米），且MATBG器件中常见的扭曲角不均匀性使得传统的ARPES技术面临挑战，因为其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），这使得其非常适合揭示MATBG器件中复杂的电子结构。

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MATBG器件（MATBG未与六方氮化硼（hBN）基底对齐）和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。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。

这些复制品表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，这些复制品遍布整个莫尔布里渊区的动量范围，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。这些实验结果自然表明，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MATBG（未与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，这一过程通过跨谷散射过程得以实现。

值得注意的是，这种耦合在非超导性TBG器件中减弱，包括hBN对齐的MATBG和偏离魔角的TBG。总之，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，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。

参考文献

Chen, C., Nuckolls, K.P., Ding, S. et al. Strong electron–phonon coupling in magic-angle twisted bilayer graphene. Nature 636, 342–347 (2024).