北理工課題組在四倍電荷超導(dǎo)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2023-12-07 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
自從1911年荷蘭物理學(xué)家昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)的一百多年來(lái),，超導(dǎo)現(xiàn)象一直引起經(jīng)久不衰的關(guān)注。1957年,，美國(guó)物理學(xué)家Bardeen,、Cooper、Shrieffer提出所謂BCS理論來(lái)解釋超導(dǎo)的物理起因,，即,，電子之間通過(guò)交換晶格振動(dòng)的能量量子（即聲子）來(lái)產(chǎn)生有效吸引力，進(jìn)而形成庫(kù)伯配對(duì),。一對(duì)庫(kù)伯對(duì)整體上可以看作是玻色子,。材料中大量的庫(kù)伯對(duì)玻色子形成玻色-愛(ài)因斯坦凝聚而產(chǎn)生的宏觀量子態(tài)就是超導(dǎo),。BCS理論提出之后的半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)一直都是超導(dǎo)領(lǐng)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(dǎo)態(tài),？特別是，是否存在四個(gè)電子形成束縛態(tài)玻色子,，然后經(jīng)歷玻色-愛(ài)因斯坦凝聚而形成超導(dǎo),，即四倍電荷超導(dǎo)態(tài)，的可能性,？ 2009年,，斯坦福大學(xué)Steven Kivelson教授團(tuán)隊(duì)提出配對(duì)密度波基態(tài)在升溫后部分熱熔化而形成四倍電荷超導(dǎo)的理論。之后,，麻省理工學(xué)院付亮教授團(tuán)隊(duì)和清華大學(xué)姚宏教授團(tuán)隊(duì)提出液晶相超導(dǎo)的部分熱熔化可以產(chǎn)生四倍電荷超導(dǎo),。然而，所有這些產(chǎn)生四倍電荷超導(dǎo)相都沒(méi)有被實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到,，其原因在于材料實(shí)現(xiàn)方面的困難,。因而，如何找到容易被材料實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)生四倍電荷超導(dǎo)的機(jī)制一直以來(lái)都是該領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn),。
近日,，北京理工大學(xué)物理學(xué)院楊帆教授課題組與合作者提出一種實(shí)現(xiàn)四倍電荷超導(dǎo)的新機(jī)制：即手征超導(dǎo)態(tài)的殘余相；而且提供了一種系統(tǒng)的材料實(shí)現(xiàn)方式,，即通過(guò)轉(zhuǎn)角電子學(xué)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)該超導(dǎo)量子態(tài),。他們的工作利用新近興起的扭轉(zhuǎn)電子學(xué)，考慮雙層最大轉(zhuǎn)角材料（圖1,，例如45度轉(zhuǎn)角的雙層銅基超導(dǎo)或30度轉(zhuǎn)角的雙層石墨烯）中的手征超導(dǎo)態(tài),。該超導(dǎo)態(tài)同時(shí)破缺了U（1）對(duì)稱性和時(shí)間反演對(duì)稱性。利用金茲堡朗道理論分析,，結(jié)合重整化群理論以及蒙特卡洛數(shù)值計(jì)算,，他們對(duì)該體系的系統(tǒng)深入研究表明在體系的手征超導(dǎo)態(tài)臨界溫度之上的一個(gè)溫度區(qū)間里可以形成時(shí)間反演對(duì)稱被恢復(fù)的四倍電荷超導(dǎo)態(tài)，從而為實(shí)現(xiàn)這種新穎的超導(dǎo)態(tài)提供一種全新的,、容易被材料實(shí)現(xiàn)的機(jī)制,。他們的研究還發(fā)現(xiàn)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(tài),。
圖1 兩種雙層最大轉(zhuǎn)角超導(dǎo)材料的示意圖
圖2 RG(圖a)和MC(圖b)計(jì)算的相圖
該工作相關(guān)論文“Charge-4e superconductivity and chiral metal in 45°-twisted bilayer cuprates and related bilayers”發(fā)表在Nat. Commun. 14, 7926 (2023),。北京理工大學(xué)物理學(xué)院楊帆教授為論文唯一通訊作者。楊帆教授指導(dǎo)的博士生劉玉波和重慶郵電大學(xué)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(xué)的吳從軍教授,。論文受到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)、面上項(xiàng)目資助。
論文連接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-43782-2
附作者簡(jiǎn)介：
楊帆,，2004年加入北京理工大學(xué)物理系,，2013年被聘為教授。研究方向?yàn)閺?qiáng)關(guān)聯(lián)和超導(dǎo)理論,，在銅氧化物高溫超導(dǎo)、量子自旋液體,、鐵基超導(dǎo),、魔角石墨烯關(guān)聯(lián)電子態(tài)、準(zhǔn)晶超導(dǎo)等領(lǐng)域作出一系列研究結(jié)果,。六次承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目,，獲得教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才稱號(hào)。在國(guó)際高水平刊物發(fā)表論文70余篇,，其中包括在頂尖期刊《Phys. Rev. Lett》上發(fā)表論文8篇,，在《Nat. Commun.》發(fā)表論文1篇?？傄寐?500余次,。
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