天才少年曹原最新Science：超导魔角石墨烯的向列性和竞争序

【引言】

自发对称破缺是自然界中普遍存在的一种过程，它发生在各种长度尺度上。在固态系统中，除了时间反转和规范对称外，还有一些由晶格所施加的离散对称。然而，当系统中多体电子-电子相互作用明显时，这些对称性可以被自发打破。理解这些不对称状态对于解释这些多体系统的不同阶段是至关重要的。一个例子是电子向列相，尽管晶格平移和时间反转的对称性保留下来，但晶格的离散旋转对称性被自发地打破。由此产生的系统各向异性依次又表现在涉及自旋、电荷和晶格自由度的特性上，这些特性可以通过散射、传输和扫描探针实验来测量。当一个相关的系统有多个不对称的相位时，它们之间的关系往往超越单纯的竞争，从而产生交织相位的复杂相位图。交织顺序的一个例子是向列相超导态，它同时打破晶格旋转和规范对称。在2D石墨烯超晶格中相关绝缘子和超导行为的最新发现，为研究具有无与伦比的可调性和丰富性的相关超导材料带来了可能。扭曲的2D材料在真实空间中呈现出长距莫尔图案，可以通过扭曲角度进行调整。在靠近第一个魔角θ≈1.1°的扭曲双层石墨烯（TBG）中，层间杂化在低能量下导致了近平带，其中电子位于真实空间。近半填充的近平带，出现相关绝缘子的行为和超导性已被证明。

【成果简介】

今日，在美国麻省理工学院Pablo Jarillo-Herrero教授和曹原（共同通讯作者）团队等人带领下，报道了在魔角扭曲双层石墨烯（TBG）中识别具有破碎旋转对称性的缠绕相。利用横向电阻测量，发现一个强各向异性相，位于超导圆顶的欠掺杂区域上方的“楔形区”内。当它与超导圆顶交叉时，观察到临界温度的降低。此外，超导态表现出对与方向相关的面内磁场的各向异性响应，揭示了整个超导圆顶的向列有序。这些结果表明，向列波动可能在魔角TBG的低温相发挥重要作用。相关成果以题为“Nematicity and competing orders in superconducting magic-angle graphene”发表在了Science。

 【图文导读】

图1 魔角TBG器件的表征和统计

图2 魔角TBG的超导圆顶附近的竞争相位

图3 魔角TBG器件A中的常态各向异性

图4 魔角TBG中向列超导的证据

图5 超导临界电流的各向异性响应

图6 各个竞争相位的总结

 文献链接：Nematicity and competing orders in superconducting magic-angle graphene（Science，2021，DOI:10.1126/science.abc2836）

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