曹原，再发Science!

第一作者：曹原

通讯作者：曹原，Pablo Jarillo-Herrero

通讯单位：麻省理工学院

自然界中，自发对称性破缺是一个普遍存在的过程，发生在所有尺度范围内。在固态系统中，除了时间反转和轨距对称性外，底层晶格还具有某些离散的对称性。但当系统中的多体电子与电子相互作用明显时，这些对称性会自发破坏。理解这些不对称状态对于阐明这些多体系统的各种相是至关重要的。

当一个相关的系统有多个破缺对称的相时，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性超导状态，它同时破坏了晶格旋转和规范对称性。在许多非常规超导体中都观察到了这种称为向列性的现象。

最近在二维(2D)石墨烯超晶格中发现的相关绝缘子和超导行为，为研究具有无与伦比的可调性和丰富的相关超导材料带来了可能。这一次，曹原等发现超导性的魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）也表现出向列性。通过传输测量过程观察到旋转对称性的破缺，其表现出特征各向异性。

扭曲的2D材料在实际空间中显示出长距离的莫尔图案，可以通过扭曲角度对其进行调整。在第一个魔术角θ≈1.1°附近的MATBG中，层间杂化在低能量时产生几乎平坦的能带。在半填充几乎平坦的能带附近，新兴的绝缘体行为和超导已被证实。

在这篇Science中，曹原研究了MATBG超导相与其他多体相之间的相互作用。与传统材料相比，MATBG的主要优势在于，可以通过静电门控而不是化学掺杂来连续调谐带填充，从而可以在单个设备中访问不同的相。因此，作者在MATBG发现了具有旋转对称性破缺的缠绕相位。利用横向电阻测量，在超导圆顶的欠掺杂区域上方的“楔形区”中发现了一个强各向异性相位。在其超导圆顶相交时，临界温度降低。此外，超导态对方向相关的平面内磁场表现出各向异性的响应，揭示了整个超导圆顶的向列有序。该研究结果表明，向列波动可能在魔角扭曲双层石墨烯的低温阶段起重要作用。

图1 MATBG器件的表征和统计

图2 MATBG超导圆顶附近的竞争相

图3 MATBG器件A中的常态各向异性

图4 MATBG中向列性超导的证明

图5 超导临界电流的各向异性响应

图6 各个竞争相的总结

Nematicity and competing orders in superconducting magic-angle graphene. Science 372 (6539), 264-271.

https://science.sciencemag.org/content/372/6539/264/tab-pdf