通常的超导态是指量子材料中电子两两配对（pairing）并凝聚而形成的零电阻的宏观量子态，但有一类新奇的超导态是四个电子结合（quarteting）然后凝聚而形成的零电阻的宏观量子态，因为这类新奇超导的序参量带有4倍的基本电荷e，所以被称为电荷4e超导。它具有一些跟普通电荷2e超导体所不同的特性，比如其量子化的磁通是普通超导体的一半。因此，电荷4e超导的研究吸引了实验和理论的广泛兴趣，包括在密度波（pair-density-wave）超导体中通过热涨落诱导电荷4e超导的理论机制。然而，电荷4e超导还从未在自然界中被证实存在，电荷4e超导的微观机制也尚未被完全理解。因此，探寻新的途径实现电荷4e超导这个新物态具有重要意义。

近日，清华大学高等研究院教授姚宏与美国马里兰大学和布兰迪斯大学It From Qubit学者简少恺、清华大学高等研究院博士后黄颖怡合作在《Physical Review Letters》发文揭示形成电荷4e超导的一种新机制。

具体而言，上述研究人员提出在二维或三维的向列超导体（nematic superconductors）中热涨落可能诱导电荷4e超导态的出现。向列超导态同时破坏了晶格的旋转对称性和电荷U(1)对称性。当向列超导体升温时，如果晶格旋转对称性首先恢复但电荷U(1)对称性尚未恢复，此时系统将会进入一个电荷4e超导态。如下图所示，当系统的弹性系数较小时，升温产生的向列涡旋（nematic vortex）拓扑激发扩散时会恢复体系的晶格旋转对称性，但不会恢复电荷U(1)对称性，此时系统将会发生相变并进入一个电荷4e超导态。向列超导态已经在多个量子材料的低温实验中被初步发现，比如参杂的拓扑绝缘体，转角石墨烯等，这些体系为今后实现电荷4e非常规超导态提供了很好的实验平台。

该研究成果以“Charge-4e superconductivity from nematic superconductors in two and three dimensions”为题，2021年11月23日发表于学术期刊《Physical Review Letters》[Phys. Rev. Lett. 127, 227001 (2021)]。论文的第一作者为美国马里兰大学和布兰迪斯大学ItFromQubit学者简少恺（2019年清华大学高等研究院博士毕业），论文的通讯作者为清华大学高等研究院教授姚宏。该研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部重点研发项目、中科院先导项目、和美国赛蒙斯基金会等的支持。

文章全文链接: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.227001