魔角双层石墨烯MATBG具有不寻常的超导性质，受到人们的广泛关注。但是，虽然人们在各种各样的实验研究，提出了几种可能的超导成对机理，但是目前MATBG的超导来源仍然并不清楚。有鉴于此，埃默里大学王耀助理教授、上海科技大学陈宇林教授等报道通过微米空间分辨率的角分辨荧光光谱表征技术，发现MATBG与BN载体之间的晶格没有排列对齐的时候，MATBG的超导来自于平带复制（flat-band replicas）。MATBG产生的平带复制具有均一的能量差（150±15meV），这个现象说明电子-玻色子的强烈耦合（strong electron–boson coupling）。而且需要注意，在非超导态的扭角双层石墨烯体系中，没有出现平带复制现象。理论计算结果表明MATBG的平台复制现象来自石墨烯K点的谷间散射促进平带电子和光学声子之间的强耦合。本文研究结果表明了MATBG的超导与电子声子耦合效应有关（虽然并不能说明电子-声子耦合是产生超导的主要原因），这项工作对深入理解超导现象的不常见电子结构提供重要的信息。 测试μ-ARPES的方法如下。使用Au连接MATBG样品，使得样品接地，避免测试过程中的电荷累积造成影响。通过光学成像表征，表明hBN载体和MATBG样品之间没有有序排列。μ-ARPES测试技术能够直接得到MATBG的能带结构，μ-ARPES通过样品的荧光强度给出MATBG的能带结构。虽然MATBG的扭角为1.08°，但是作者测试发现只有当hBN载体和MATBG器件没有对齐时，才能产生最大超导转变温度（Tc）的超导现象。作者认为产生这种现象的原因是MATBG和hBN载体之间具有不同形式和强度的耦合作用，产生不同的moiré势。在hBN和MATBG没有对齐的情况下，hBN载体对MATBG的moiré势产生高频背景信号，由于hBN和MATBG的moiré晶格失配高达8°，因此不对齐的hBN不会显著影响MATBG样品的电子结构。但是对于hBN和MATBG对齐的样品，hBN载体的moiré周期为13nm，与MATBG的本征moiré晶格（13.8nm）非常接近，因此对齐状态的石墨烯/hBN的moiré势以及打破C2对称性显著影响MATBG的本征电子结构。 ARPES测试。分别测试了超导MATBG样品的两个器件（A和B）。对每个石墨烯层跨越多个moiré布里渊区的K点附近进行测试（图2a），图2b给出了器件A的三维能带结构图，以及moiré布里渊区的6个代表性的能带谱图（图2c）。在费米能级附近观测发现MATBG的平带，特别需要指出的是作者测试发现高结合能附近的平带复制品（在以往报道中，这个现象未曾提出），测试结果发现这些平带复制品具有类似的能带宽度、动量变化、光谱分布。为了提高清晰度，在不同动量位置切割的moiré布里渊区测试一系列ARPES色散光谱（cut 1~cut 6）。这些平带的复制体具有均匀的能量分离（150±15meV），这些复制体在高结合能的强度迅速衰减。 这种平带复制体的特点表明能带杂化。首先，这些平带复制体具有一致的结合能，而没有发现能带交叉或者杂化产生的能级变化现象；其次，这种平带复制体没有局限在moiré布里渊区的高对称性动量区间；第三，也是最重要的，在非超导TBG样品中没有发现这些平带复制体现象。测试非超导TBG器件的ARPES（器件C：hBN与MATBG对齐的样品；器件D和E：扭转角度偏离魔角），与MATBG样品器件（器件A和B）对比。测试结果发现，在hBN与MATBG对齐的器件中，没有发现平带复制体。但是能带结构具有特征的能带杂化（石墨烯层之间的Dirac能带杂化），以及moiré势对能带杂化的补偿。这种hBN和MATBG对齐的器件与hBN-MATBG未对齐的器件的明显区别说明hBN载体的moiré势补偿效应起到非常重要的作用，这种moiré势补偿导致产生反常量子霍尔效应。另外，在没有超导效应的TBG器件中（器件D和E）同样发现典型的能带杂化，并且没有发现平带复制体。 在单粒子ARPES光谱的高结合能区间发现能带复制的现象通常表明电子-玻色子强耦合现象。这个测试结果与FeSe/SrTiO3体系观测的shake-off复制带类似（FeSe的电子和SrTiO3的光学声子之间的强耦合）。这种强烈的电子-声子耦合（EPC, electron–phonon coupling）是FeSe/SrTiO3体系产生提高超导温度的原因。石墨烯本征声子谱。由于平带的电子动能仅为10-15meV，但是声子模能量达到150meV，因此首先测试石墨烯的本征声子谱（没有考虑极化子的影响）。图4a给出了K点附近能量为150meV的三个声子分支，测试结果表明这种声子谱可能导致谷间电子-声子耦合（EPC）。冻结声子计算结果表明，面内的横向光学模（in-plane transverse optical mode）具有最强的EPC，比面内纵向光学模（in-plane longitudinal optical mode）或者面内纵向声学模（in-plane longitudinal acoustic mode）更强。面内横向光学声子模在K和K′点产生散射平带电子现象，导致产生间隔均匀的平带复制带。能带的能量差取决于声子能量，复制带的能量间隔明显比电子能带（15meV）更大。 这项研究展示了谷间声子对于超导MATBG的重要性（虽然不是主导作用），但是发现的MATBG中的平带电子结构与Fe基高温超导材料比较类似。进一步的，作者认为通过实验能够将平带复制带的微观形成机理与扭角石墨烯的超导之间联系，比如在魔角三层石墨烯可能同样存在类似现象。此外作者认为μ-ARPES表征技术有助于研究moiré体系的强关联效应。Chen, C., Nuckolls, K.P., Ding, S. et al. Strong electron–phonon coupling in magic-angle twisted bilayer graphene. Nature (2024).DOI: 10.1038/s41586-024-08227-whttps://www.nature.com/articles/s41586-024-08227-w
