多层二维材料的莫尔超晶格结构能展现出丰富且可调节的奇特物理特性。在被称为“魔角”的特定转动角度堆叠形成的双层石墨烯，具有超导、强关联、铁磁、拓扑等单层石墨烯中不存在的重要物性。近期研究表明，“魔角”堆叠的三层石墨烯除了具有与双层石墨烯类似的超导相图，还展现出超越泡利极限的临界磁场和“重入”（re-entrant）超导性等一系列更加新奇的物性。研究魔角三层石墨烯的新奇电子态不仅具有重要物理意义，也能为研究高温超导机理及具有潜力的低功耗、高速量子材料器件应用提供重要材料平台。
魔角石墨烯体系开辟了凝聚态物理的新领域，同时也给相关实验技术带来了极大挑战。魔角石墨烯器件一般通过机械剥离法制备，仅具有微米量级的尺寸，并要求精确控制各层石墨烯的相对位置和转角，需要先进科研平台的全方位支撑。在上海科技大学与上海同步辐射光源的通力合作下，上海科技大学物质科学与技术学院拓扑物理实验室陈宇林-柳仲楷团队历时六年，潜心研制的上海同步辐射光源纳米角分辨光电子能谱（NanoARPES）实验站于2021年投入使用。该实验站是国内首台实现百纳米空间分辨率同步辐射角分辨光电子能谱装置，是探索微小尺寸样品和器件电子结构强有力的实验手段，填补了国内相关研究设施的空白，受到业内广泛关注。
近日，上海科技大学物质学院拓扑物理实验室陈宇林-柳仲楷团队在该平台上开展的研究取得了首项重要成果：成功实现了对魔角三层石墨烯电子态的观测，揭示了与理论预言一致的共存狄拉克能带与莫尔平带。该成果在知名学术期刊Advanced Materials上在线发表。
研究团队利用NanoARPES系统研究微米级别的转角石墨烯器件，并成功分辨了单层、双层以及魔角三层石墨烯区域。在魔角三层石墨烯区域，首次在动量空间观测到共存的狄拉克能带与莫尔能带，其结果与第一性原理计算完美吻合。扫描隧道显微镜结果清晰展现了其莫尔周期以及莫尔平带在实空间中的局域化，与NanoARPES观测其在动量空间的延展相对应。该研究提供了魔角三层石墨烯独特能带结构的实验证据，为小尺寸莫尔超晶格体系的电子结构综合表征系统研究提供了范例，是莫尔超晶格领域的重要研究进展。
图：魔角三层石墨烯电子结构测量。(a)魔角三层石墨烯堆叠结构示意图；(b)测量器件横截面示意图；(c)器件光学显微图；(d)器件NanoARPES实空间扫描；(e)STM观测莫尔周期；(f)NanoARPES观测莫尔复制带；(g)NanoARPES观测共存的莫尔平带和狄拉克能带。
此项工作由上海科技大学、牛津大学、南京理工大学、南京大学等单位的科研团队协作完成。上海科技大学物质学院拓扑物理实验室博士后李一苇（现为武汉大学高研院特聘副研究员）、博士后张世豪、南京大学硕士生陈繁强和上海科技大学物质学院博士生魏立阳为共同第一作者，上海科技大学物质学院及拓扑物理实验室常任副教授柳仲楷、亚洲太阳sungame陈宇林、副研究员王美晓、助理教授刘健鹏和南京理工大学教授程斌为共同通讯作者。上海科技大学物质学院为第一完成单位。