【科讯】高温超导器件中反常金属相的证据 | 知社学术圈

编者按：本文是一篇点评文章，所点评的论文信息如下：

Chao Yang#, Yi Liu#, Yang Wang, Liu Feng, Qianmei He, Jian Sun, Yue Tang, Chunchun Wu, Jie Xiong*, Wanli Zhang, Xi Lin, Hong Yao, Haiwen Liu, Gustavo Fernandes, Jimmy Xu, James M. Valles Jr.*, Jian Wang*, Yanrong Li. "Intermediate bosonic metallic state in the superconductor-insulator transition" Science 366, 1505-1509 (2019)

论文链接：https://science.sciencemag.org/content/366/6472/1505

在温度趋于0 K的极限下，具有有限欧姆耗散的物质被定义为金属，这是物质的一种量子相。金属相的一个清晰的理论范例是德鲁德（Drude）金属，这一理论模型描述的是弱无序中弱相互作用的准粒子。另一方面，多年来一直有实验表明各种形式的反常金属相（的存在），其行为与简单的德鲁德描述完全不符。特别是，最近出现在二维体系明显的超导-金属量子相变中的反常金属相得到了相当大的研究关注，这种相变可以被不同的量子参数所调节。[2]有清晰的迹象表明，这种系统主要的激发电荷（载流子电荷）是局域的超导集体模式。所以主要问题是，在温度趋于零时，系统不能凝聚到真正的超导基态的现象是否是本征的？然而，对于这些观测结果的正确解释一直存在着不确定性，因为它们通常涉及到脆弱的电子态和非常低的温度。因此，对于（系统的）非平衡效应和非预期的外部噪声干扰，学者们一直感到担忧[1]。

在这种情况下，在一个由高温超导材料组成的系统中调控这种量子相变有相当大的优势，因为这种体系的本征温度和临界电流的量级都很大。（就此而言，它们是d波超导体，或它们的超导机制是非常规的，都是不相关的细节。）北京大学王健研究组与电子科技大学熊杰、李言荣研究团队等合作开展了这项研究。他们研究了大面积的（约1mm×1mm）厚度为12nm的高温超导钇钡铜氧（YBCO）薄膜，在该薄膜上刻蚀了数量级约为 10⁸ 的孔洞，形成了等效的约瑟夫森结阵列。每个孔的直径约为70nm，孔中心到孔中心的平均间距约为100nm。通过离子轰击，这个系统可以连续地从全局的超导态转变到全局的绝缘态。重要的是，超导到绝缘演化过程中存在一个中间态，其中的金属行为被观察到。其特征为在温度趋于零时，具有一个有限大的电阻率。具体地说，设器件受到离子轰击的程度为b，当0≤b＜b_c 时，样品在有限温度下发生超导转变，体系为超导相（SC）；当b_c＜b＜b_c2  时，样品电阻率随温度的减低而减小，且在温度趋于零时趋于一个非零的有限值，处于反常金属相(AM)区域内；当b_c2 ＜b 时，最终样品进入一个绝缘(Ⅰ)区域，在其中电阻率甚至可以（随温度）非单调变化，当温度趋于零时，电阻率会发散。

这个系统的行为在许多方面与许多其它的二维系统相似。然而，有些结果值得注意：

（1）正如报导的那样，（该体系的）特征温度量级相对较大。除了最绝缘的状态外，所有（样品）的电阻率曲线在超导临界温度T_c ~75K以下，都开始下降到“正常态”电阻率值以下。最重要的是，在反常金属相区域中，低温时的电阻率对温度的依赖性非常弱。在温度低于5K时，电阻率可以合理地近似认为与温度无关。(这比在相同情况下研究的大多数其它系统的特征温度高10至100倍。

（2）在三个区域（超导、反常金属、绝缘）都观察到了周期为每个孔洞对应一个超导磁通量子的磁阻振荡。这一结果直接证实了局域相干的电荷为2e的集体模式(超导涨落)的存在及其在电荷输运中的重要性。更有意思的是，在三个区域中，磁阻振荡的振幅对温度的依赖关系是不同的：周期性量子振荡的振幅在超导区域随着温度的降低出现量级上的急剧增大，在绝缘区域随着温度的降低减小(尽管不是很强烈)，而在反常金属区域低温时对温度的依赖性非常弱。

（3）在反常金属相中，超导涨落的高温标特征也可以从霍尔电阻率ρ_xy对温度的依赖性中清楚地看到：在大约50K以下，霍尔电阻率从其正常态值迅速下降，小到实验上难以分辨。另外，反常金属相中正的巨磁阻效应也体现出高温标的特征。

这里所涉及的温度尺度比相同情况下所研究的其它系统的温度尺度要大得多。当然，上述结果仍不能完全排除可能的外部（非本征）效应导致虚假结果的可能性。通过仔细研究测量的电阻率对测量电流的依赖性(以验证电流-电压曲线是线性的)和通过是否使用RC滤波器来改变外部噪声被过滤程度的对照实验，这一问题得到了直接的解决。通过所有的这些测试，实验结果看起来相当可靠。

目前的结果大大增强了一种稳定物质相（也即反常金属态）存在证据的可信度。在这种稳定的物质相中存在可观的局域超导关联，但其中量子涨落依然足够强，使得系统不能凝聚到全局相干的超导基态。如果是真的，这一结论对于量子材料的理解具有基础性的重要意义。

图1：来自原文的两幅图。1）左图是在不同参数b下，电阻率的对数与温度的关系。标有“AM”（反常金属的）的黑色曲线对应于b=b_c，标有“TS”（过渡的）的黑色曲线对应于b=b_c2 。2）在超导区和反常金属相区（b＜b_c2）的曲线（电阻的对数与温度倒数的关系），用来展示低温下反常金属相出现的电阻饱和现象。

作者：Steven A. Kivelson

译者：刘易，杨超，王健

参考文献


[1]I. Tamir, A. Benyamini, E.J. Telford, F. Gorniaczyk, A. Doron, T. Levinson, D.Wang, F. Gay, B. Sacepe, J. Hone, K.Watanabe, T. Taniguchi, C. R. Dean, A. N.Pasupathy, and D. Shahar, Science Advances 5, 3826 (2019).[2]For a recent review, see A. Kapitulnik, S. A. Kivelson, and B. I. Spivak, Rev.Mod. Phys. 91, 11002 (2019).

原文链接：

Evidence of an anomalous metallic phase in a high temperature superconducting device

https://www.condmatjclub.org/?p=3560

作者简介：

Steven Allan Kivelson教授于1979年在哈佛大学获得博士学位，1982年至1988年担任纽约州立大学教授，1988年至2004年担任加州大学洛杉矶分校教授，2004年至今担任美国斯坦福大学教授，现任美国斯坦福大学 Prabhu Goel Family教授。Kivelson教授是国际著名理论物理学家，在凝聚态物理领域尤其是强关联体系和超导领域，做出许多重要贡献。他于2001年入选美国艺术与科学学院院士，2010年入选美国国家科学院院士，2012年被授予Bardeen奖。

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