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    我国学者在高温超导量子相变领域取得新进展

    日期 2019-11-20   来源:工程与材料科学部   作者:陈克新 李亮  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(批准号:11888101,51722204,91421110)的资助下,电子科技大学李言荣院士团队与北京大学量子材料中心王健教授团队以及合作者在高温超导量子相变领域研究中取得了重要进展。研究成果以“Intermediatebosonic Metallic State in the Superconductor-insulator Transition”(超导绝缘体相变中的玻色金属态)为题,于11月14日以“first release”形式在线发表在Science(《科学》)上。论文链接:https://science.sciencemag.org/content/early/2019/11/13/science.aax5798。

      量子材料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年巴克利奖。在二维超导的量子相变过程中,除了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,理论上不存在二维量子金属基态。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没有解决的重要物理问题。

      研究团队在高温超导纳米多孔薄膜中首次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。量子金属态存在的直接证据是体系的电阻随着温度降低表现出饱和特性,在高温超导体YBCO薄膜中,该电阻饱和温度高达5K,这一温度相比于传统超导体系提高了1-2个数量级,大大提升了量子金属态的稳定性和实验结果的可信度。通过高频滤波器的极低温对照实验发现,是否添加滤波器对体系的电阻在低温下的饱和规律没有明显的作用,有效地排除了外界高频噪声对实验的影响,为量子金属态的存在提供了可靠的实验证据。进一步地,通过系统的极低温电输运测试发现,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,这为量子金属态是玻色金属态的论断提供了直接证据,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。

     

    图. A-C)多孔氧化铝(AAO)模板蚀刻法制备纳米多孔薄膜的工艺示意图,SEM图像及几何结构示意图; D)不同刻蚀时间下纳米多孔薄膜的电阻对温度的依赖关系;E)量子金属态薄膜和超导薄膜的输运曲线图,低温下电阻饱和是量子金属态的直接证据;F)量子金属态薄膜量子磁导振荡图,揭示出量子金属态的玻色子起源




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