曹原，又一篇Science！
vivi
2021-04-17
当具有相似晶格常数的两个单层二维范德华材料垂直堆叠且略微未对准时，则会呈现出周期性莫尔图案，从而改变材料的电子态，出现电子平带。2018年，来自麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero和曹原团队在~1.1°魔角扭曲的双层石墨烯中发现新的电子态，可以简单实现绝缘体到超导体的转变，打开了非常规超导体研究的大门。
MATBG（魔角扭曲双层石墨烯）的出现，为量子性能的研究，提供了一个独特的、绝佳的平台，可在高度可调的平带系统中研究相互作用驱动的各种新奇现象。尽管在实验和理论上取得了重大进展，但对称性破缺状态及其与超导之间的关联，并不完全清晰。
2021年4月1日，麻省理工学院的Pablo Jarillo-Herrero和曹原团队在Nature发表成果，同时进行热力学和输运测量，研究了魔角扭曲双层石墨烯（MATBG）的对称性破缺多体基态和非平凡拓扑现象。今天，他们在Science也报道了对称性破缺相关研究成果。通讯作者：曹原，Pablo Jarillo-Herrero自发对称性破缺，在自然界所有尺度范围中均存在。在固态系统中，除了时间反演对称性和轨距对称性外，底层晶格还具有某些离散的对称性。然而，当系统中的多体电子-电子相互作用比较明显时，这些对称性就会被自发破坏。理解这些对称性破缺状态，对于阐明这些多体系统中的各种相，至关重要！在固体系统中，强相互作用的电子在基态往往表现出多重对称性破缺，同时不同序参量之间的相互作用可以产生丰富的相图。量子材料中的电子可以打破旋转对称，这种现象被称为向列性，已经在许多非常规超导体中被观察到了。有鉴于此，麻省理工学院的曹原和Pablo Jarillo-Herrero等人发现具有超导性的魔角扭曲双层石墨烯也具有向列性。他们通过传输测量观察到旋转对称性破缺，其表现出特征的各向异性。1、在魔角石墨烯中发现了具有旋转对称性破缺的缠绕相位。2、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。3、当它与超导圆顶交叉时，观察到临界温度降低。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。4、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。研究者在魔角扭曲双层石墨烯的相图中揭示了两个不同的各向异性状态：超导圆顶上方的正常状态楔形特征和向列超导状态。楔形特征与零温绝缘相相关，该相显示出明显的电阻率各向异性，表明破坏了六重晶格旋转对称性。
图2. 魔角石墨烯超导圆顶附近的相位
除此之外，该研究中的一个关键的问题是，观察到的各向异性是内在的还是外在的？研究者在同一设备中未观察到多个向列域，表明存在一定程度的残余应变。为了解决这个问题，研究者注意到这种残余应变应该是器件的特性，因此应该在所有温度和掺杂下都存在。相比之下，正常态各向异性的开始被限制在一个狭窄的掺杂范围内，并被限制在10 K以下的温度。后续的向列指向矢连续旋转表明，超导态的各向异性更有可能是固有的，因为外在的起源将导致固定的取向。平面内磁场的各向异性响应仅在超导状态下可见，而在楔形状态下则不可见，这表明在正常状态和超导状态下的向列性起源可能不同。1、在魔角扭曲双层石墨烯的相图中揭示了两个不同的各向异性状态：超导圆顶上方的正常状态楔形特征和向列相超导状态。2、向列指向矢的连续旋转表明，超导态的各向异性更有可能是固有的，因为外在的起源将导致固定的取向。3、各向异性的另一个可能来源是器件上的扭曲角变化，在设备上看不到不同的向列域，这表明整体残余应变可能在扭转角波动引起的局部应变上占主导地位。Yuan Cao*, Pablo Jarillo-Herrero1,* et al.Nematicity and competing orders in superconducting magic-angle graphene.Science 16 Apr 2021DOI:10.1126/science.abc2836https://science.sciencemag.org/content/372/6539/264
