Science述评: 探秘高温超导体中不正常的正常态

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高温超导机理问题是当今凝聚态物理前沿研究的重大难题之一，揭开其神秘面纱不仅有利于帮助我们寻找更高临界温度的超导体，更是对固体中多体相互作用微观机制的认识飞跃。

因为它将彻底撼动凝聚态物理基石——朗道-费米液体理论，可能对整个物理学的研究带来新的革命^[1]。高温超导机理研究的最大困难，在于理解其复杂的电子态及其量子行为，用一句话来概括就是：“超导态下变幻多，正常态下不正常。”对于超导态，实验和理论上都基本达成一致地认为是能隙符号和大小随动量空间演变的d波形式电子配对。然而对于正常态，存在许多奇异的物理性质，远远超越了传统费米液体理论的认识。例如存在部分打开的“赝能隙态”，不连续的“费米弧”，以及延续到极高温的线性电阻等。究其原因，在于正常态下存在多种自旋、电荷和轨道有序态，它们和超导态的相互竞争或共存造成了复杂的电子态相图（图1） ^[2]。为此，物理学家只能无奈地把难以理解的不正常的正常态，笼统地称之为“奇异金属”（Strange metal），其物理本质至今仍是一个谜。

图1. 空穴型铜氧化物高温超导体中复杂的电子态相图^[1]

对于奇异金属态下的高温超导体正常态，其电阻率随温度的依赖关系是几乎完美的线性，甚至会持续到1000 K以上的温度,直到金属发生熔化。对于传统金属而言，电阻率随温度变化基本上是T²关系（主要来自电子-声子相互作用），因为承载电流的是长寿命准粒子（带相互作用的电子），其散射长度并不会比德布罗意波长小多少。而在高温超导体中，由于电子-电子的强烈相互作用，即便准粒子散射长度和德布罗意波长相当，其电阻率随温度增加并不趋于饱和或渐变，依然是顽固的线性温度依赖。这个行为也被叫做“普朗克耗散”（Planckian dissipation），准粒子输运的弛豫率直接由热能尺度决定（ħ/τ∝k_BT）^[3-5]。理论上推测，线性电阻率的存在，是因为超导态下“隐藏”着一个“量子临界点”（Quantum critical point, QCP），即在绝对零度下，随着掺杂浓度的演变，系统的基态会发生二阶相变。在有限温度下，所谓“奇异金属”，其实就是在量子临界涨落的统治下的反常物理行为。例如，系统的费米面会从小的费米口袋突变成大的费米面，超流密度、关联长度、准粒子有效质量等会发生发散等奇异行为^[6-10]。可是实验上的验证存在巨大挑战，因为超导态下的零电阻效应往往会掩盖住QCP。要想真正探秘到QCP的本源面目，唯一的途径就是想办法把超导态“杀掉”，直接暴露接近零温下的正常态。这需要突破高温超导体的上临界场，往往在几十甚至上百特斯拉的量级。

最近，来自美国佛罗里达高场实验室等的科学家们，基于高质量系列掺杂的La_2-xSr_xCuO₄薄膜，利用高达80 T的强磁场，成功将量子临界点附近的超导体恢复到正常态，发现了其磁电阻存在强烈的标度不变性，即“杀掉”超导态之后的正常态，依旧是不正常的线性电阻^[11]！如图2A和2B所示，对于最接近QCP的掺杂浓度为p=0.190的样品，电阻率对磁场在40 K以上存在明显线性响应，并随着温度升高而不断增加。磁电阻随磁场变化斜率在超导态下趋于一个饱和值，并且与零场下电阻率随温度变化斜率成类似掺杂依赖行为（图2 C和2D）。这说明，在强磁场下，准粒子输运的弛豫率还由磁场能量尺度决定（ħ/τ∝μ_BB），磁场对量子临界涨落下的动力学有直接影响，最终导致“不正常”的输运行为（图2E）。虽然在低温下我们能够观测到准粒子的量子振荡行为，到了高温下，奇异金属态中并不存在严格定义下的传统准粒子。或者说，高温下的对温度或磁场线性依赖的电阻率，来源于非准粒子机制。原则上，QCP附近的标度不变性，不应该仅限于对磁场或温度能量尺度的线性响应行为，任何其他的幂次率响应都有可能发生。然而，无论是铜氧化物高温超导体，还是铁基高温超导体，在QCP附近都存在令人惊奇的线性电阻率^[12]！该研究明确了高温超导体输运性质的机制，对强关联下的电子态复杂行为带来进一步的理解，是高温超导微观机理研究的重要实验证据。

图2. (a) p=0.190样品在不同温度下电阻率的磁场依赖关系，(b) p=0.190样品在不同磁场下电阻率的温度依赖关系，(c) p=0.190样品磁电阻在低温下趋于标度不变性，(d)不同掺杂浓度样品在零场下的线性电阻率，(e)电阻率受量子临界影响下的磁场和温度依赖行为

作者：罗会仟  中科院青促会 中科院物理研究所 

论文信息：Scale-invariant magnetoresistance in a cuprate superconductor（Science 3 August 2018: Vol 361, Issue 6401）

参考文献

1. P. W. Anderson, Science 256, 1526–1531 (1992).

 2. B. Keimer et al., Nature 518, 179–186 ( 2015) .

 3. C. M. Varma et al., Phys. Rev. Lett. 63, 1996–1999 (1989).

 4. J. Zaanen, Nature 430, 512–513 (2004).

 5. S. Lederer et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 114, 4905–4910 (2017).

 6. Y. Ando et al., Phys. Rev. Lett. 92, 197001 (2004).

 7. N. Doiron-Leyraud et al., Nature 447, 565–568 (2007).

 8. T. P. Croft et al., Phys. Rev. B 89, 224513 (2014).

 9. L. Zhao et al., Nat. Phys. 13, 250–254 (2017).

 10. J. G. Analytis et al., Nat. Phys. 10, 194–197 (2014).

 11. P. Giraldo-Gallo et al., Science 361, 479-481(2018).

 12. I. M. Hayes et al., Nat. Phys. 12, 916–919 (2016).

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