Science: 北大清华中科院联手发现二维超导的量子Griffiths相变
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2015年10月30日，Science发表了北京大学物理学院量子材料科学中心王健研究员为通讯作者的学术论文Quantum Griffiths singularity of superconductor-metal transition in Ga thin films，首次在低维体系以及超导体系中发现和证实一种新的量子相变，量子格里菲思 (Griffiths) 奇异性。这一重要成果是王健研究员与北大谢心澄院士、林熙研究员、王垡研究员，以及清华薛其坤院士和马旭村研究员等人合作完成的。马旭村研究员与林熙研究员为文章共同通讯作者。谢心澄院士建议了在极低温下观测量子相变行为的实验，并负责文章的理论部分。北大博士生邢颖、付海龙、助理研究员刘海文与中科院物理所博士生张慧敏为文章并列第一作者。王健研究员也因为这一工作入选2015中国十大新锐科技人物。
什么是Griffiths 奇异性？这一重要发现带来了哪些突破？请听王健研究员亲自为我们讲解。。。
物质的物相和相变是物理学领域最重要的科学问题之一，相关研究曾多次获得诺贝尔奖。四十多年前Robert B. Griffiths从理论上预测，无序效应会定性地改变物相和相变临界点的行为，特别是临界点的动力学临界指数将趋于无穷大，这种现象被称作Griffiths (格里菲思) 奇异性。随着时间推移，这一预测现已拓展到量子相变形成了量子格里菲思奇异性理论。所谓量子相变，是指在绝对零度下系统处于量子基态时随着参数变化而发生的相变。然而实验上要直接观测到动力学临界指数的发散行为，即量子格里菲思奇异性，非常困难。超导体作为一种重要的量子物质和物相，其量子相变与量子临界点现象已得到学术界的广泛关注，但直到最近仍未在超导中发现量子格里菲思奇异性行为。
二维超导体，因其中量子涨落或热力学涨落带来的诸多新奇现象，以及在无耗散或低耗散的电子学方面的潜在应用价值，已成为超导领域的重要研究方向。2015年美国凝聚态物理最高奖Buckley奖颁发给四位物理学家，以表彰他们在二维超导体系中发现超导-绝缘体相变现象，该相变被认为是量子相变的范例。超导-绝缘体相变早在二十多年前就被报道，随后研究者发现了性质类似的超导-金属相变，但如今仍有不少实验或理论相互间有所冲突和争议。对于二维超导中磁场调制的超导-绝缘体 (或金属) 相变，早期发现不同温度下电阻随磁场的响应曲线会交于一点，该点被称为量子临界点，对应的临界指数可以从不同温度下电阻-磁场曲线的标度行为得到，这个临界指数与样品的细节无关是一个确定的数值。然而近期有实验报道在不同温度区间观测到两个不同的量子临界点及不同的临界指数。
2015年，王健研究员和马旭村研究员、薛其坤院士、谢心澄院士等人合作，首次发现了一种新的二维超导相：在GaN(0001)表面上外延生长的两个原子层厚 (0.556 nm) 的晶体Ga薄膜，其原子结构、原子间距与所有Ga的体相都不同 (图1)。他们通过原位扫描隧道谱的探测以及非原位的电输运和磁化率测量，发现两层Ga薄膜具有~5.4 K的超导转变温度，是Ga体材料稳定相的超导转变温度的五倍，是一种新的二维超导体 (图2)。相关文章以编辑推荐的形式发表在物理学最具影响力的学术期刊Physical Review Letters上 (Physical Review Letters 114, 107003 (2015)(Editors’ Suggestion))。注：平均每六篇Physical Review Letters文章会选出一篇作为编辑推荐文章。
图1：高分辨透射电镜图揭示两原子层的Ga生长在GaN(0001)表面上的原子排布。(Physical Review Letters 114, 107003 (2015)(Editors’ Suggestion))
图2：电阻随温度的变化关系显示两原子层Ga薄膜的Tc为5.4 K。插图为样品电输运测量示意图。(Physical Review Letters 114, 107003 (2015)(Editors’ Suggestion))
在前期发现的基础上，王健研究员与马旭村研究员、谢心澄院士、林熙研究员、薛其坤院士、王垡研究员等人组成研究团队，在三个原子层厚的Ga薄膜中发现了二维超导特性和超导-金属相变行为。实验中的Ga超薄膜是通过分子束外延生长在GaN (氮化镓) 衬底上，并采用100纳米量级厚度的无定形硅作为覆盖层进行保护。研究人员通过最低到25mK的极低温精密测量发现，Ga超导薄膜中超导-金属相变对应的临界点既不是以前报道的一个临界点也不是近期报道的两个临界点，而随着温度变化形成了一条临界线。相应的临界指数在临界线上连续变化，在趋近零温量子临界点时会发散，而不是通常认知的固定值 (图3)。因此，传统的超导量子相变理论无法解释该实验结果。分析表明该相变正是理论上预测已久的量子格里菲思奇异性。这是首次在低维体系以及超导体系中发现和证实量子格里菲思奇异性，并且有可能是对超导-金属相变的具有普适性的物理解释。这项工作不仅是发现了一种新的量子相变，而且对超导 (包括高温超导) 等量子材料体系中量子临界行为的理解提供了新的思路。相关文章于2015年10月15日被选入Science Express提前在线发表 (http://www.sciencemag.org/content/early/2015/10/14/science.aaa7154.full)，并于2015年10月30日正式发表在Science上 (Science 350, 542 (2015))。Science同期的Perspective文章以“Randomness rules”为题重点评论和介绍了这一工作 (Science 350, 509(2015))。王健研究员等人最近在不同的二维超导体系也观测到了类似现象，进一步证实了这种量子格里菲思奇异性存在的普适性，为无序影响下的物质的量子相变开拓了新的研究方向。
图3：三个原子层厚的Ga薄膜超导与临界指数在靠近量子相变点 (绝对零度) 时的发散行为
上述研究得到国家重大科学研究计划、国家自然科学基金、中组部“青年千人”计划、高等学校博士学科点专项科研基金以及量子物质科学协同创新中心等项目经费的资助。Science全文的免费下载请见：http://www.phy.pku.edu.cn/icqmjianwanggroup/Publication.html (文末点击阅读全文)
王健，北京大学物理学院量子材料科学中心研究员、博士生导师。2001年毕业于山东大学物理学院 (物理学学士)，2006年毕业于中国科学院物理研究所 (凝聚态物理博士)。2006年到2010年，在美国宾夕法尼亚州立大学纳米科学中心和物理系做博士后。2010年到2011年任美国宾夕法尼亚州立大学纳米科学中心助理研究员 (Research Associate)。2010年受聘为北京大学物理学院量子材料科学中心博士生导师、研究员。2011年入选国家首批“青年千人计划”。2012年入选科技部首批青年科学家专题项目负责人。2012年获自然基金委首批优秀青年基金支持。2015年荣获第二届马丁伍德爵士中国物理科学奖。当前的研究兴趣为：低维超导与拓扑材料的物性，以及新量子材料的探索。近年来王健研究员在Science, Nature Materials, Nature Physics, Nature Nanotechnology, Nature Communications, PRX, PRL, JACS, Nano Letters等国际一流学术期刊发表SCI论文五十篇。相关工作得到了国际学术界的广泛关注。多次在国际重要学术会议上做特邀报告，如凝聚态物理领域最具影响力的美国物理学会三月会议 (APS March Meeting 2011&2016)。2015年因二维界面超导的工作在美国物理学会三月会议上召开新闻发布会。作为分会主席在美国组织了2012年和2013年的拓扑绝缘体会议 (VCTI2012 & 2013EMN)。当前担任国际知名SCI学术期刊Scientific Reports编委成员，2D Materials客座编辑，以及美国物理联合会中国顾问委员会成员，同时为Nature Communications、PRX、PRL、Angewandte Chemie、Advanced Materials、Nano Letters、ACS Nano、2D Materials、Scientific Reports、Physical Review B等十多种国际著名SCI期刊审稿人。此外，在国际科技类出版社InTech出专业书一章，以第一申请人获专利7项，申请专利2项。
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