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自从1911年荷兰物理学家昂内斯发现超导的一百多年来，超导现象一直引起经久不衰的关注。1957年，美国物理学家Bardeen、Cooper、Shrieffer提出所谓BCS理论来解释超导的物理起因，即，电子之间通过交换晶格振动的能量量子（即声子）来产生有效吸引力，进而形成库伯配对。一对库伯对整体上可以看作是玻色子。材料中大量的库伯对玻色子形成玻色-爱因斯坦凝聚而产生的宏观量子态就是超导。BCS理论提出之后的半个多世纪以来一直都是超导领域的金科玉律而被广泛遵循。然而，是否存在超越BCS理论的超导态？特别是，是否存在四个电子形成束缚态玻色子，然后经历玻色-爱因斯坦凝聚而形成超导，即四倍电荷超导态，的可能性？ 2009年，斯坦福大学Steven Kivelson教授团队提出配对密度波基态在升温后部分热熔化而形成四倍电荷超导的理论。之后，麻省理工学院付亮教授团队和清华大学姚宏教授团队提出液晶相超导的部分热熔化可以产生四倍电荷超导。然而，所有这些产生四倍电荷超导相都没有被实验观测到，其原因在于材料实现方面的困难。因而，如何找到容易被材料实现的产生四倍电荷超导的机制一直以来都是该领域关注的焦点。

近日，北京理工大学物理学院杨帆教授课题组与合作者提出一种实现四倍电荷超导的新机制：即手征超导态的残余相；而且提供了一种系统的材料实现方式，即通过转角电子学的方式来实现该超导量子态。他们的工作利用新近兴起的扭转电子学，考虑双层最大转角材料（图1，例如45度转角的双层铜基超导或30度转角的双层石墨烯）中的手征超导态。该超导态同时破缺了U（1）对称性和时间反演对称性。利用金兹堡朗道理论分析，结合重整化群理论以及蒙特卡洛数值计算，他们对该体系的系统深入研究表明在体系的手征超导态临界温度之上的一个温度区间里可以形成时间反演对称被恢复的四倍电荷超导态，从而为实现这种新颖的超导态提供一种全新的、容易被材料实现的机制。他们的研究还发现了另一种可能的残余相：即手征金属相，也是一种新颖的量子态。

图1 两种双层最大转角超导材料的示意图

图2 RG(图a)和MC(图b)计算的相图

该工作相关论文“Charge-4e superconductivity and chiral metal in 45°-twisted bilayer cuprates and related bilayers”发表在Nat. Commun. 14, 7926 (2023)。北京理工大学物理学院杨帆教授为论文唯一通讯作者。杨帆教授指导的博士生刘玉波和重庆邮电大学周晶讲师为论文共同第一作者。参与论文工作的还有西湖大学的吴从军教授。论文受到国家自然科学基金重点、面上项目资助。

论文连接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-43782-2

附作者简介：

杨帆，2004年加入北京理工大学物理系，2013年被聘为教授。研究方向为强关联和超导理论，在铜氧化物高温超导、量子自旋液体、铁基超导、魔角石墨烯关联电子态、准晶超导等领域作出一系列研究结果。六次承担国家自然科学基金项目，获得教育部新世纪优秀人才称号。在国际高水平刊物发表论文70余篇，其中包括在顶尖期刊《Phys. Rev. Lett》上发表论文8篇，在《Nat. Commun.》发表论文1篇。总引用率2500余次。