本文档为 Yiwei Li, Qiang Wan 和 Nan Xu 发表在 Advanced Materials 期刊上的一篇综述文章。三位作者均来自武汉大学高等研究院，其中 Nan Xu 也同时隶属于武汉量子技术研究院。文章在线发表日期为2023年，归属于2025年第37卷。

本文的主题为“利用角分辨光电子能谱（Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy， ARPES）研究莫尔超晶格（Moiré superlattice）系统的最新进展”。文章系统性地回顾了ARPES技术在二维材料莫尔超晶格体系电子结构研究中的应用，梳理了不同类型莫尔体系的ARPES研究成果，并对该领域的未来方向进行了展望。

文章的第一个核心观点是：ARPES技术凭借其直接测量动量-能量空间中电子结构的独特能力，已成为解析莫尔超晶格体系基础物理不可或缺的工具。 为了支撑这一观点，作者首先简要介绍了现代ARPES技术的基本原理（光电效应、能量/动量守恒定律）、先进的仪器能力（特别是微米/亚微米级的空间分辨率）以及多样化的扩展功能（如自旋分辨、泵浦-探测、原位应变/门压/磁场调控）。这为后文讨论ARPES如何应用于各种复杂样品奠定了基础。作者强调，与其他技术（如输运测量缺乏动量分辨，扫描隧道谱缺乏直接能带成像）相比，ARPES能够直接“可视化”能带结构，为理论建模提供基准，并揭示相关效应。文章通过图示（如原文图1）展示了ARPES如何分辨不同层数的石墨烯区域并测量其能带，生动地证明了其空间与动量联合分辨能力。

文章的第二个核心观点是：莫尔超晶格通过对电子施加长周期调制势，能有效地工程化能带结构，导致诸如能带折叠、复制能带、杂化能隙、平带形成等一系列新奇电子现象。 作者通过一个简化的一维模型（原文图3a）清晰地阐述了能带折叠的基本物理图像：自由电子抛物线色散在引入原子晶格周期势后发生折叠并产生能隙；进一步引入远大于原子晶格的莫尔周期势后，能带会再次折叠到更小的莫尔布里渊区中，产生莫尔复制能带和强烈的能带重整化。作者以魔角扭曲双层石墨烯（Magic-Angle Twisted Bilayer Graphene， MATBG）作为典范案例（原文图3d，e），详细说明了当两层石墨烯狄拉克锥在动量空间因扭转而分离的能量尺度（ℏν_f k_θ）与层间耦合强度（2w）相当时，会在费米能级附近产生极度平坦的能带，从而为强关联物理（如关联绝缘态、非常规超导）的出现创造了条件。这部分内容为理解后续各类莫尔体系的ARPES观测结果提供了理论框架。

文章的第三个核心观点是：针对不同类型的莫尔超晶格体系（按构建方式分类），ARPES研究已取得了一系列标志性成果，直接揭示了其各异的电子结构特征。 这是全文篇幅最重、内容最丰富的部分。作者将莫尔体系分为几大类并分别进行阐述： 1. 石墨烯与相似晶格常数衬底构成的莫尔体系（如石墨烯/六方氮化硼，石墨烯/金属（111）面）。其最显著的特征是狄拉克锥复制品的出现（原文图4d-f），这是主狄拉克锥电子被莫尔倒易矢量散射的结果。ARPES直接观测到了这些复制锥及其在费米面的分布。此外，在某些体系中还观测到了主狄拉克点和第二代狄拉克点处因对称性破缺或能带杂化而打开的能隙（原文图4h-j），以及在重金属衬底上诱导出的巨大Rashba自旋劈裂（原文图4l-n）。 2. 扭曲石墨烯体系。作者按转角范围回顾了从大角度到魔角体系的ARPES研究。对于30°扭转双层石墨烯这一准晶体系，ARPES观测到了由层间耦合导致的“镜像”狄拉克锥及其杂化能隙（原文图5a，b）。对于中等转角（如11.6°）体系，ARPES在高结合能处清晰揭示了由层间杂化产生的范霍夫奇点和莫尔复制能带（原文图5c-e）。对于魔角扭转双层石墨烯（MATBG， ~1.1°）和魔角扭转三层石墨烯（MATTG， ~1.6°），ARPES成功解析了其复杂的莫尔复制能带纹理以及预期的平带特征（原文图5f-i），并将测量到的动量空间特征与理论计算的莫尔周期直接关联，提供了电子结构受莫尔势调制的直接实验证据。 3. 扭曲过渡金属硫族化合物（Transition Metal Dichalcogenides， TMDs）体系。作者以二硫化钼（MoS₂）和二硒化钨（WSe₂）为例，指出TMDs的能带重整化强烈依赖于其轨道特性：位于Γ点的价带顶主要来源于面外轨道（如dz²），对层间耦合和扭转角极为敏感；而位于K点的价带顶主要来源于面内轨道，对扭转角相对不敏感（原文图6a，b）。对于小转角TMDs平带体系，ARPES在某些体系（如5.1°扭转双层WSe₂）中观测到了Γ谷的莫尔复制带，但尚未在关联物理发生的K谷观察到明确的莫尔复制信号（原文图6c-e），这提出了一个有待解决的难题。 4. 基于晶格失配的TMD异质结莫尔体系（如MoSe₂/WSe₂， WS₂/WSe₂）。ARPES研究发现，其电子结构行为可根据莫尔周期划分为三个区域：极大周期（>100 nm）时，系统主要表现为重构晶格的主导；中等周期（1-100 nm）时，电子关联和局域化效应最大化，表现为有效质量增加和谱线展宽；极小周期（~1 nm）时，能带近乎是两层单层的简单叠加（原文图7）。这为理解莫尔势强度与周期关系提供了实验依据。 5. 石墨烯与TMD层构成的混合莫尔超晶格。尽管两者晶格常数失配很大（~30%），ARPES研究仍尝试探测其界面莫尔效应。在某些小转角样品中观测到了疑似莫尔复制带的微弱特征（原文图8e），但确凿的杂化能隙证据尚缺。一个有趣的发现是，底层TMD异质结（如对齐的WS₂/WSe₂）产生的莫尔势可以“印刻”到顶层的石墨烯上，使其产生多个狄拉克锥复制品（原文图8g-i），这为莫尔工程提供了新思路。 6. 高阶莫尔超晶格系统。这类体系由晶格常数差异较大的材料构成，但其某种超晶胞的晶格常数能够匹配，从而产生可调谐的长周期莫尔势。典型代表是石墨烯/碳化硅（SiC）和石墨烯/单层氙（Xe）。ARPES研究明确观测到了由高阶莫尔倒易矢量散射产生的狄拉克锥复制品（原文图9b，c， e）。特别地，石墨烯/单层氙体系可通过退火原位连续调节氙层晶格常数，从而实现对莫尔周期和复制狄拉克锥动量间距的连续调控（原文图9f，g）。当莫尔周期趋于无穷大时，系统演变为Kekulé畸变石墨烯，并在K点打开能隙。ARPES还观察到了主狄拉克锥与复制锥之间杂化的迹象，表明高阶莫尔系统也是探索平带物理的潜在平台（原文图9h）。

文章的第四个核心观点是：该领域仍存在诸多开放性问题与挑战，未来发展前景广阔。 在文章的最后部分（展望），作者指出许多已通过输运等测量发现新奇量子相的莫尔体系（如低转角石墨烯中的应变孤子、扭曲双层-双层石墨烯中的自旋极化态、转角TMDs中的关联绝缘态等），其精细的莫尔电子结构仍有待ARPES的系统研究。同时，当前ARPES研究在样品质量（表面平整度、界面清洁度、均一性）、测量分辨率（空间、动量、能量）与数据统计性之间需要权衡。未来，结合了更高分辨率、更先进原位调控手段（如静电门压）的ARPES技术，将在揭示莫尔超晶格中关联效应、拓扑性质、超导机理等方面发挥更关键的作用。作者也呼吁将研究范围扩展到更多材料体系，如包含金属性/半金属性TMDs的异质结，以探索更丰富的量子现象。

本文的显著价值在于：它首次系统性地综述了ARPES这一体电子结构探测利器在蓬勃发展的莫尔超晶格物理领域所取得的成就。文章不仅是一份详实的技术和应用总结，更为研究者提供了一个清晰的框架，以理解不同莫尔体系电子结构调控的物理本质。它既指出了ARPES技术在该领域已展现出的强大能力，也坦诚地列出了当前研究的局限和争议之处，为后续的实验和理论工作指明了方向。因此，这篇综述对于凝聚态物理、二维材料、量子模拟等相关领域的研究人员具有重要的参考和指导意义。