2021年4月1日，曹原（通訊兼第一作者）發(fā)表第6篇Nature。

2021年4月7日，曹原（共同一作）發(fā)表第7篇Nature。

今天（4月16日），曹原（一作兼通訊）發(fā)表Science！我們一起來(lái)看看這篇最新成果吧。

在固體系統(tǒng)中，強(qiáng)相互作用的電子，在基態(tài)往往表現(xiàn)出多重破壞的對(duì)稱性。不同序參量之間的相互作用，可以產(chǎn)生豐富的相圖。在此，來(lái)自美國(guó)麻省理工學(xué)院的曹原（一作兼通訊）及其導(dǎo)師Pablo Jarillo-Herrero等研究者，報(bào)道了在魔角扭曲雙層石墨烯（TBG）中，識(shí)別具有破碎旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的纏繞相。相關(guān)論文以題為“Nematicity and competing orders in superconducting magic-angle graphene”發(fā)表在Science上。

論文鏈接：http://science.sciencemag.org/content/372/6539/264

自發(fā)對(duì)稱破缺，是自然界中普遍存在的一種過(guò)程，它發(fā)生在各種長(zhǎng)度尺度上。在固態(tài)系統(tǒng)中，除了時(shí)間反演和規(guī)范對(duì)稱外，還有一些由晶格所施加的離散對(duì)稱。然而，當(dāng)系統(tǒng)中多體電子-電子相互作用明顯時(shí)，這些對(duì)稱性可以被自發(fā)地打破。理解這些不對(duì)稱狀態(tài)，對(duì)于解釋這些多體系統(tǒng)的不同相，是至關(guān)重要的。其中一個(gè)例子是，電子向列相，盡管晶格平動(dòng)和時(shí)間反演對(duì)稱保留下來(lái)，但晶格的離散旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，由于電子關(guān)聯(lián)而自發(fā)地被打破。由此產(chǎn)生的系統(tǒng)各向異性，依次表現(xiàn)為涉及自旋、電荷和晶格自由度的性質(zhì)，這些性質(zhì)可以通過(guò)散射、輸運(yùn)和掃描探針實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量。

當(dāng)一個(gè)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，有多個(gè)不對(duì)稱的相位時(shí)，它們之間的關(guān)系往往超越單純的競(jìng)爭(zhēng)，從而產(chǎn)生糾纏相的復(fù)雜相位圖。糾纏序的一個(gè)范例是，向列相超導(dǎo)態(tài)，它同時(shí)打破了晶格旋轉(zhuǎn)和規(guī)范對(duì)稱。據(jù)報(bào)道，在某些鐵基材料和摻雜的Bi2Se3中，存在向列超導(dǎo)態(tài)，這是通過(guò)熱、磁和輸運(yùn)測(cè)量揭示的，盡管它們的微觀起源仍不清楚。

在二維（2D）石墨烯超晶格中相關(guān)絕緣子和超導(dǎo)行為的最新發(fā)現(xiàn)，為研究具有無(wú)與倫比的可調(diào)性和豐富性的相關(guān)超導(dǎo)材料帶來(lái)了無(wú)限可能。扭曲的2D材料，在真實(shí)空間中呈現(xiàn)出遠(yuǎn)程moiré圖案，并且可以通過(guò)扭曲角度進(jìn)行調(diào)整（圖1A）。在扭曲雙分子層石墨烯（TBG）中，在第一個(gè)魔角θ≈1.1°附近，層間雜化在低能量下導(dǎo)致了幾乎平坦的帶，其中電子位于實(shí)空間（圖1A）。同時(shí)，近半填充的近平坦帶，突現(xiàn)相關(guān)絕緣子的行為和超導(dǎo)性，早已被證明。

圖1 魔角扭曲雙層石墨烯（TBG）器件的表征與統(tǒng)計(jì)。

在本工作中，研究者分析了魔角TBG中，超導(dǎo)相與其他多體相的相互作用。利用橫向電阻測(cè)量，研究者發(fā)現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)各向異性相位，位于超導(dǎo)穹頂欠摻雜區(qū)域上方的“楔”內(nèi)。當(dāng)它與超導(dǎo)穹頂交叉時(shí)，觀察到臨界溫度的降低。此外，超導(dǎo)態(tài)對(duì)方向相關(guān)的平面內(nèi)磁場(chǎng)，表現(xiàn)出各向異性的響應(yīng)，揭示了整個(gè)超導(dǎo)穹頂?shù)南蛄杏行颉＿@些結(jié)果表明，向列波動(dòng)可能在魔角TBG的低溫相中，扮演重要角色。

圖2 在魔角TBG超導(dǎo)穹頂附近的競(jìng)爭(zhēng)相位。

圖3 魔角TBG器件A的正態(tài)各向異性。

圖4 魔角TBG中向列相超導(dǎo)性的證據(jù)。

圖5 超導(dǎo)臨界電流的各向異性響應(yīng)。

圖6 各個(gè)競(jìng)爭(zhēng)相的總結(jié)。