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    我國學者在高溫超導量子相變領域取得新進展

    日期 2019-11-20   來源:工程與材料科學部   作者:陳克新 李亮  【 】   【打印】   【關閉

      在國家自然科學基金項目(批準號:11888101,51722204,91421110)的資助下,電子科技大學李言榮院士團隊與北京大學量子材料中心王健教授團隊以及合作者在高溫超導量子相變領域研究中取得了重要進展。研究成果以“Intermediatebosonic Metallic State in the Superconductor-insulator Transition”(超導絕緣體相變中的玻色金屬態)為題,于11月14日以“first release”形式在線發表在Science(《科學》)上。論文鏈接:https://science.sciencemag.org/content/early/2019/11/13/science.aax5798。

      量子材料及量子相變是本世紀凝聚態物理與材料領域的研究熱點。量子相變與傳統的熱力學相變不同,是在絕對零度下調節非熱力學參量(如磁場、摻雜、壓強、無序度等)而發生的相變,相變點附近量子漲落而非熱漲落起了重要作用。作為量子相變的經典范例,二維超導-絕緣體相變以及超導-金屬相變研究獲得了2015年巴克利獎。在二維超導的量子相變過程中,除了超導態與絕緣態兩種基態外,是否存在量子金屬態一直是理論與實驗上爭論的焦點。根據安德森標度理論,由于量子干涉效應以及相位相干長度在零溫下發散的特性,理論上不存在二維量子金屬基態。盡管實驗上在各種二維超導體系發現了量子金屬態的可能跡象,但受低臨界溫度的制約以及外界高頻噪聲的影響,二維量子金屬態的存在及其形成機制仍存在著巨大的爭議,是三十多年來國際學術界一直沒有解決的重要物理問題。

      研究團隊在高溫超導納米多孔薄膜中首次完全證實了量子金屬態的存在。通過調節反應離子刻蝕的時間,在高溫超導釔鋇銅氧(YBCO)多孔薄膜中實現了超導-量子金屬-絕緣體相變。量子金屬態存在的直接證據是體系的電阻隨著溫度降低表現出飽和特性,在高溫超導體YBCO薄膜中,該電阻飽和溫度高達5K,這一溫度相比于傳統超導體系提高了1-2個數量級,大大提升了量子金屬態的穩定性和實驗結果的可信度。通過高頻濾波器的極低溫對照實驗發現,是否添加濾波器對體系的電阻在低溫下的飽和規律沒有明顯的作用,有效地排除了外界高頻噪聲對實驗的影響,為量子金屬態的存在提供了可靠的實驗證據。進一步地,通過系統的極低溫電輸運測試發現,超導、金屬與絕緣這三個量子態都有與庫珀電子對相關的h/2e周期的超導量子磁導振蕩,這為量子金屬態是玻色金屬態的論斷提供了直接證據,揭示出庫珀對玻色子對于量子金屬態的形成起到了主導作用。

     

    圖. A-C)多孔氧化鋁(AAO)模板蝕刻法制備納米多孔薄膜的工藝示意圖,SEM圖像及幾何結構示意圖; D)不同刻蝕時間下納米多孔薄膜的電阻對溫度的依賴關系;E)量子金屬態薄膜和超導薄膜的輸運曲線圖,低溫下電阻飽和是量子金屬態的直接證據;F)量子金屬態薄膜量子磁導振蕩圖,揭示出量子金屬態的玻色子起源




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