【蔻享科讯】科学家首次实验验证量子金属态的存在
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背景介绍
量子材料以及量子相变是21世纪凝聚态物理与材料领域的研究热点。二维量子金属态的存在及其形成机制，是30余年来国际学术界一直悬而未决的重要物理问题。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。根据Anderson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。虽然在各种二维超导系统中已经发现了量子金属态的可能迹象，但由于低临界温度的限制和外界高频噪声的影响，二维量子金属态的存在仍存有争议。根据量子力学，二维超导中的超导电子对-库珀对可形成两种基态，超导态和绝缘态，事实仅仅如此吗？
实验重大突破
基于此研究背景，北京大学王健教授与电子科技大学熊杰教授、李言荣院士，以及美国布朗大学James M. Valles Jr教授等相关专家组成的研究团队对此展开研究，实验上证实了高温超导纳米多孔薄膜中量子金属态的存在，为研究量子金属态提供了新思路。此项研究成果于2019年11月14日在线刊发于学术期刊『Science』上。
该研究团队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3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。王健教授表示，表现为玻色子的库珀对导致这种金属态令人惊讶，因为有量子理论认为这不可能。这一新物质态可被称为玻色金属、量子金属或反常金属，理解这一状态有望开启新物理学，但仍需更多研究。此外，高温超导体系中量子玻色金属的证实不仅对量子材料的认知具有重要意义，也有望催生新型电子器件。
在该文章中，北京大学王健教授、布朗大学James M. Valles Jr教授、电子科技大学熊杰教授是文章共同通讯作者，电子科技大学博士生杨超和北京大学博士后刘易为文章共同第一作者。
专家点评
这一研究成果得到了美国科学院院士、斯坦福大学S.A. Kivelson教授的高度评价：“这一工作对量子材料的理解具有基础性的重要意义。”
王健教授个人简介
图 | 王健
Jian Wang, Changjiang Distinguished Professor of China's Ministry of Education, received his bachelor's degree in Physics from Shandong University in 2001, and PhD degree in condensed matter physics from Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences in 2007. From 2006 to 2011, he worked as a Postdoc and Research Associate at Penn State University, USA. He became a tenure-track Associate Professor and established a research group at Peking University in 2010. In 2017, Jian Wang was promoted to Professor. He was selected to Changjiang Distinguished Professor of China's Ministry of Education in 2016 and Chief Scientist for National Key R&D Program of China in 2018. He won Sir Martin Wood China Prize in 2015. His current research interests are quantum transport properties of low dimensional superconductors and topological materials. Jian Wang with collaborators discovered log-periodic quantum oscillations in a solid state system, quantum Griffiths singularity in 2D superconductors, and tip-induced unconventional superconductivity in topological materials. Furthermore, as the leader Jian Wang also for the first time revealed interface-modulated Ising superconductivity, demonstrated high Tc in one unit cell thick FeSe films by direct transport and Meissner evidences, and detected eletron-electron interaction in topological materials. In recent years, he has authored more than 80 SCI papers including more than 60 corresponding author publications in Science, Science Advances, Nature Materials, Nature Physics, Nature Communications, PNAS, Physical Review X, Physical Review Letters, Nano Letters, Advanced Materials, and ACS nano etc. Jian Wang's lab at Peking University possesses ultralow temperature-high magnetic field measurement systems and low temperature scanning tunneling microcopy/ spectroscopy-molecular beam epitaxy combined ultrahigh vacuum system etc.
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