清华大学高研院姚宏教授研究组揭示向列超导体中电荷4e超导的形成机制

近日，清华大学高等研究院教授姚宏研究组发文揭示了二维向列超导体中电荷4e超导及其关联演生物态的形成机制。该研究发现畴壁激发在相变过程中发挥着关键作用，并预测了一种由畴壁驱动的新型准长程序向列相，为理解多组分超导体中的残余序和相变提供了新的理论认识。

超导通常源于电子以库珀对（电荷2e）的形式发生相干凝聚，而电荷4e超导态则对应形成电子四重态后的相干凝聚，是一种受到广泛关注的新奇超导态。近年来，理论研究提出电荷4e超导可以作为多组分超导体中的一种残余序出现，但其形成机制以及热相变过程中各种拓扑缺陷的作用仍有待进一步研究。

图1.（左上）笼目晶格，（左下）电荷4e配对示意图，（右）系统相图

该研究提出了一个定义在笼目（kagome）晶格上的广义XY模型，其基态对应二维向列超导。研究团队利用大规模蒙特卡洛模拟获得了完整的有限温相图，并结合有效场论分析，发现体系在升温过程中不仅能够进入电荷4e超导相，还会出现一个介于向列超导与电荷4e超导之间的新型准长程序向列相。在这一相中，体系已失去各向同性的电荷2e超导准长程序，但仍保持幂律衰减的向列关联，突破了以往对二维向列超导升温熔化过程的传统认识。

结合低能有效场论分析，研究团队进一步揭示了上述丰富相图背后的物理机制。研究表明，超导涡旋、向列涡旋、复合涡旋以及畴壁等不同拓扑缺陷，分别驱动着不同的相变。其中，与已有理论主要关注的点状拓扑缺陷不同，本工作表明畴壁的增殖对于稳定准长程向列相至关重要，也是理解电荷4e超导形成过程中演生物态不可忽略的关键因素。这一发现表明，在多组分超导体中，除了涡旋之外，畴壁拓扑缺陷同样能够影响体系的相图结构。该工作不仅为电荷4e超导提供了一个可由数值精确验证的晶格实现，也建立了不同拓扑缺陷控制残余序的新理论图景，为研究多组分超导体中的丰富相变现象提供了新的思路。研究结果对于探索高电荷超导及相关新奇量子相提供了理论基础。

图2.不同温度下的系统快照，其中可以明显观察到畴壁增殖

该成果以“二维向列超导体中电荷-4e超导性的涌现‌”（Emergence of charge-4e superconductivity from 2D nematic superconductors）为题于近日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

论文共同第一作者为高研院2026届博士毕业生、德国马普所博士后邹璇和高研院2024届博士毕业生、美国Flatiron Institute博士后万周全，姚宏教授为论文的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委员会理论物理专款项目、科技部重点研发项目、新基石科学基金会“科学探索奖”、赛蒙斯基金会（Simons Foundation）等项目的资助。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/j7nh-jzdd

供稿：高研院

编辑：李华山

审核：王晓霞