北理工課題組在四倍電荷超導領域取得重要進展
發布日期：2023-12-07 供稿：物理學院 攝影：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數：
自從1911年荷蘭物理學家昂內斯發現超導的一百多年來，超導現象一直引起經久不衰的關注。1957年，美國物理學家Bardeen、Cooper、Shrieffer提出所謂BCS理論來解釋超導的物理起因，即，電子之間通過交換晶格振動的能量量子（即聲子）來產生有效吸引力，進而形成庫伯配對。一對庫伯對整體上可以看作是玻色子。材料中大量的庫伯對玻色子形成玻色-愛因斯坦凝聚而產生的宏觀量子態就是超導。BCS理論提出之后的半個多世紀以來一直都是超導領域的金科玉律而被廣泛遵循。然而，是否存在超越BCS理論的超導態？特別是，是否存在四個電子形成束縛態玻色子，然后經歷玻色-愛因斯坦凝聚而形成超導，即四倍電荷超導態，的可能性？ 2009年，斯坦福大學Steven Kivelson教授團隊提出配對密度波基態在升溫后部分熱熔化而形成四倍電荷超導的理論。之后，麻省理工學院付亮教授團隊和清華大學姚宏教授團隊提出液晶相超導的部分熱熔化可以產生四倍電荷超導。然而，所有這些產生四倍電荷超導相都沒有被實驗觀測到，其原因在于材料實現方面的困難。因而，如何找到容易被材料實現的產生四倍電荷超導的機制一直以來都是該領域關注的焦點。
近日，北京理工大學物理學院楊帆教授課題組與合作者提出一種實現四倍電荷超導的新機制：即手征超導態的殘余相；而且提供了一種系統的材料實現方式，即通過轉角電子學的方式來實現該超導量子態。他們的工作利用新近興起的扭轉電子學，考慮雙層最大轉角材料（圖1，例如45度轉角的雙層銅基超導或30度轉角的雙層石墨烯）中的手征超導態。該超導態同時破缺了U（1）對稱性和時間反演對稱性。利用金茲堡朗道理論分析，結合重整化群理論以及蒙特卡洛數值計算，他們對該體系的系統深入研究表明在體系的手征超導態臨界溫度之上的一個溫度區間里可以形成時間反演對稱被恢復的四倍電荷超導態，從而為實現這種新穎的超導態提供一種全新的、容易被材料實現的機制。他們的研究還發現了另一種可能的殘余相：即手征金屬相，也是一種新穎的量子態。
圖1 兩種雙層最大轉角超導材料的示意圖
圖2 RG(圖a)和MC(圖b)計算的相圖
該工作相關論文“Charge-4e superconductivity and chiral metal in 45°-twisted bilayer cuprates and related bilayers”發表在Nat. Commun. 14, 7926 (2023)。北京理工大學物理學院楊帆教授為論文唯一通訊作者。楊帆教授指導的博士生劉玉波和重慶郵電大學周晶講師為論文共同第一作者。參與論文工作的還有西湖大學的吳從軍教授。論文受到國家自然科學基金重點、面上項目資助。
論文連接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-43782-2
附作者簡介：
楊帆，2004年加入北京理工大學物理系，2013年被聘為教授。研究方向為強關聯和超導理論，在銅氧化物高溫超導、量子自旋液體、鐵基超導、魔角石墨烯關聯電子態、準晶超導等領域作出一系列研究結果。六次承擔國家自然科學基金項目，獲得教育部新世紀優秀人才稱號。在國際高水平刊物發表論文70余篇，其中包括在頂尖期刊《Phys. Rev. Lett》上發表論文8篇，在《Nat. Commun.》發表論文1篇。總引用率2500余次。
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