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电子科大李言荣院士团队继Science后再发Nature

来源:电子科技大学      2022-01-13
导读:1月12日,电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室李言荣院士团队在国际著名期刊《Nature》发表了《玻色子体系中的奇异金属态》的研究论文,首次在高温超导体中发现并证实了玻色子奇异金属。

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2022年1月12日,国际著名期刊《Nature》发表了电子科技大学题为《玻色子体系中的奇异金属态》(Signatures of a strange metal in a bosonic system)的研究论文,首次在高温超导体中发现并证实了玻色子奇异金属。该工作是电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室李言荣院士团队为主完成的,博士生杨超为第一作者,熊杰教授为第一通讯作者。这是该团队继2019年在《Science》上首次报道实验发现量子金属态后,在量子科技领域取得的又一重大发现。

国际著名理论物理学家、美国科学院院士Chandra M. Varma发表专题评论文章,高度评价玻色子奇异金属的发现是凝聚态物理领域的重大突破。Nature审稿人评价此工作是引领量子理论发展的transformative变革性成果。同时,Nature配发专题亮点评述文章,评价这项工作突破了现有对奇异金属态与无序超导体的认知框架,将推动凝聚态物理学领域向前迈出一大步。这一发现为理解凝聚态物理中奇异金属的物理规律、揭示奇异金属的普适性、完善量子相变理论奠定了重要的科学基础,对揭示耗散效应对玻色子量子相干的定量影响,推动未来低能耗超导量子计算以及极高灵敏量子探测技术的发展具有重要的理论和实际意义。

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YBCO纳米网孔薄膜中量子金属-绝缘体量子相变点附近的奇异金属态

(a)输运特性曲线,(b)线性磁电阻曲线,(c)霍尔电阻Rxy随温度的变化曲线,(d)玻色子奇异金属相图

宇宙中的基本粒子分为费米子与玻色子两种。其中,人类社会目前赖以生存的电子工业与器件发展几乎完全基于费米子体系,但由于能耗高、损耗大,物理尺寸已近极限,面临性能持续提升的瓶颈问题,无法满足快速增长的信息传输需求。而以高温超导体为代表的玻色子器件,具有完美的零损耗能量传递特性,有望带来电子信息工业的革命性变化。奇异金属,顾名思义,与普通金属不同,其电阻率与温度成正比,存在于铜基高温超导体中,是一种电子之间高度量子纠缠的新物质状态,其混乱程度趋向于量子力学极限。早在三十年前,科学家们就发现了费米子奇异金属,但是否存在玻色子奇异金属是长期以来难以攻克的科学难题。

电子科技大学李言荣院士、熊杰教授研究小组,与美国布朗大学James M. Valles Jr 教授,北京大学谢心澄院士、王健教授,北京师范大学刘海文研究员,四川大学等合作者们协同攻关,成功突破了费米子体系的限制,首次在玻色子体系中诱导出奇异金属态。研究团队通过在高温超导钇钡铜氧(YBCO)薄膜中精准构筑纳米网孔阵列,实现了对玻色子相干性、耗散能等物性的跨尺度调控,在量子相变临界区发现了电阻随温度与磁场线性变化的奇异金属态。同时,低于超导临界温度时,体系霍尔电阻急剧减少为零,并且存在与库珀电子对相关的h/2e超导量子磁电阻振荡,证明体系的载流子是玻色子。进一步通过标度分析,发现玻色子奇异金属的电阻由温度与磁场简单的线性相加决定,证明了电阻在量子临界区与体系内在的能量尺度无关,满足标度不变的关系,揭示了玻色子在量子临界区存在奇异的动力学行为;建立了玻色子奇异金属的完备相图,阐释了玻色系统耗散量子相变的物理图像。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-04239-y

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2019年11月14日,国际著名期刊《Science》以“first release”形式刊发《超导-绝缘相变中的玻色金属态》(Intermediate bosonic metallic state in the superconductor-insulator transition),我校电子薄膜与集成器件国家重点实验室博士生杨超(导师李言荣院士)为第一作者,熊杰教授为通讯作者,张万里教授、李言荣院士为共同作者。这是我校首次以第一单位在《科学》正刊上发表研究成果,该发现是在我校国家重点实验室做出的原创成果,标志着我校在高温超导量子相变领域取得了重大研究进展。

量子材料以及量子相变是本世纪凝聚态物理与材料领域的研究热点。自高温超导发现以来,二维量子金属态的存在及其形成机制是三十多年来国际学术界一直悬而未决的重要物理问题。电子科技大学张万里、熊杰研究团队与北京大学王健教授团队、林熙研究员课题组、北京师范大学刘海文研究员、清华大学姚宏教授、美国布朗大学James M. Valles Jr 教授等合作首次在高温超导纳米多孔薄膜中完全证实了量子金属态的存在。通过调节反应离子刻蚀的时间,在高温超导钇钡铜氧(YBCO)多孔薄膜中实现了超导—量子金属—绝缘体相变。通过极低温输运测试发现,超导、金属与绝缘这三个量子态都有与库珀电子对相关的h/2e周期的超导量子磁导振荡,证明量子金属态是玻色金属态,揭示出库珀对玻色子对于量子金属态的形成起到了主导作用。

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图A-C:纳米多孔超导薄膜示意图;图D-E:电阻温度输运曲线;图F:量子磁导振荡曲线

该工作得到了美国科学院院士、斯坦福大学Steven A. Kivelson教授的高度评价,评论文章发表在凝聚态物理杂志俱乐部上。Steven教授指出:“对于量子金属起源的探索将会改变我们对量子材料的认识,将极大推动量子器件领域的发展”。这一发现为国际上争论了三十多年的量子金属态的存在提供了有力的证据,并为研究量子金属态提供了新思路。

从“十三五”开始,在李言荣院士的带领下,张万里教授团队在量子信息材料与器件、二维材料与器件、异质异构集成技术等前沿交叉领域积极谋划和布局,在Science、Nature Chemistry、Nature Communications、Advanced Materials等国际著名期刊发表系列创新性研究成果,牵头获得国家技术发明二等奖,这些成果显著提高了我校在电子薄膜材料与器件领域的国内外影响力。

量子材料以及量子相变是本世纪凝聚态物理与材料领域的研究热点。量子相变与传统的热力学相变不同,是在绝对零度下调节非热力学参量(如磁场、掺杂、压强、无序度等)而发生的相变,相变点附近量子涨落而非热涨落起了重要作用。作为量子相变的经典范例,二维超导-绝缘体相变以及超导-金属相变研究获得了2015年美国凝聚态物理最高奖巴克利奖。在二维超导的量子相变过程中,除超导态与绝缘态两种基态外,是否存在量子金属态一直是理论与实验上争论的焦点。根据安德森标度理论,由于量子干涉效应以及相位相干长度在零温下发散的特性,载流子在趋于绝对零度时会表现出局域化效应,因此理论上不存在二维量子金属态。尽管实验上在各种二维超导体系发现了量子金属态的可能迹象,但受低临界温度的制约以及外界高频噪声的影响,二维量子金属态的存在及其形成机制仍存在着巨大的争议,是三十多年来国际学术界一直悬而未决的重要物理问题。

论文链接:https://science.sciencemag.org/content/early/2019/11/13/science.aax5798

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