發(fā)布時(shí)間：2021-03-28 04:09

　　<正>當(dāng)超導(dǎo)體的厚度小于庫珀對(duì)的相干長(zhǎng)度時(shí),庫珀對(duì)在厚度方向的運(yùn)動(dòng)受限,可以看作是二維超導(dǎo)體。二維超導(dǎo)體系因其中的量子漲落或熱力學(xué)漲落帶來的諸多新奇現(xiàn)象,以及在低耗散或無耗散電子學(xué)方面的潛在應(yīng)用價(jià)值,已成為超導(dǎo)領(lǐng)域的重要研究方向。2015年凝聚 

【文章來源】：物理. 2020,49(02)北大核心

【文章頁數(shù)】：3 頁

【部分圖文】：

YBCO薄膜中(a)超導(dǎo)態(tài)、(b)反常金屬態(tài)、(c)絕緣態(tài)的與庫珀對(duì)相關(guān)的h/2e周期性量子振蕩數(shù)據(jù)圖。量子振蕩的分析結(jié)果表明，振蕩振幅(d)和庫珀對(duì)的相位相干長(zhǎng)度(e)在低溫下飽和。這一發(fā)現(xiàn)有望揭示反常金屬態(tài)的物理本質(zhì)(引自參考文獻(xiàn)[11])

當(dāng)超導(dǎo)體的厚度小于庫珀對(duì)的相干長(zhǎng)度時(shí)，庫珀對(duì)在厚度方向的運(yùn)動(dòng)受限，可以看作是二維超導(dǎo)體。二維超導(dǎo)體系因其中的量子漲落或熱力學(xué)漲落帶來的諸多新奇現(xiàn)象，以及在低耗散或無耗散電子學(xué)方面的潛在應(yīng)用價(jià)值，已成為超導(dǎo)領(lǐng)域的重要研究方向。2015年凝聚態(tài)物理最高獎(jiǎng)Buckley獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給四位美國物理學(xué)家，以表彰他們?cè)诙S超導(dǎo)體系中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)—絕緣體相變現(xiàn)象，該相變被認(rèn)為是量子相變的范例。所謂量子相變，是指在絕對(duì)零度(-273.15℃)下系統(tǒng)處于量子基態(tài)時(shí)隨著參數(shù)(如無序、磁場(chǎng)、門電壓等)變化而發(fā)生的相變。在超導(dǎo)—絕緣體相變中，理論上只有兩種基態(tài)，如果庫珀對(duì)可以自由運(yùn)動(dòng)則會(huì)形成零電阻的超導(dǎo)態(tài)，反之則形成無法導(dǎo)電的絕緣態(tài)[1]。自然規(guī)律的魅力在于總會(huì)有意想不到的事情發(fā)生。三十多年前，Ga、Pb、In等顆粒狀薄膜的研究揭示了二維超導(dǎo)體系中可能存在的一種新奇特性：隨著溫度降低，薄膜的電阻先迅速下降然后逐漸趨于一個(gè)與溫度無關(guān)的定值，類似金屬特性[2]。這種特殊的金屬態(tài)，無法用傳統(tǒng)金屬理論Drude模型來解釋，被稱為反常金屬態(tài)[3]。在過去的三十多年里，各國科學(xué)家們陸續(xù)在無定形MoGe薄膜、Ta薄膜、TaN薄膜、InO薄膜、石墨烯上的Sn島陣列以及柵極調(diào)制的ZrNCl等多種二維超導(dǎo)體系中觀察到所謂“反常金屬態(tài)”的跡象[4—9]。然而，最近的實(shí)驗(yàn)表明，用濾波器過濾了測(cè)量線路中的高頻噪聲信號(hào)后，在低溫下表現(xiàn)為有限電阻的“反常金屬態(tài)”會(huì)變成零電阻的超導(dǎo)態(tài)[10]。探測(cè)反常金屬態(tài)通常需要進(jìn)行非常精密的極低溫實(shí)驗(yàn)，對(duì)于環(huán)境的要求極高，稍有干擾就會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生極大的影響。因此，二維體系中是否存在反常金屬充滿爭(zhēng)議，是國際學(xué)術(shù)界一直懸而未決的重要物理難題。近期，我們與電子科技大學(xué)李言榮、熊杰研究團(tuán)隊(duì)以及布朗大學(xué)的James M.Valles Jr教授等合作，在高溫超導(dǎo)釔鋇銅氧(YBa2Cu3O7—x(YBCO))納米多孔薄膜中證實(shí)了二維反常金屬態(tài)的存在[11]。我們運(yùn)用反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)在12 nm厚的YBCO薄膜上刻蝕出三角排列的孔洞陣列(圖1(a—c))。通過調(diào)節(jié)反應(yīng)離子束刻蝕的時(shí)間，觀測(cè)到了YBCO薄膜中發(fā)生的超導(dǎo)—反常金屬—絕緣體量子相變(圖1(d))，這是一種典型的受無序調(diào)控的量子相變。

更有意思的是，由于YBCO薄膜的孔洞十分均勻，我們?cè)?種量子基態(tài)(超導(dǎo)態(tài)、反常金屬態(tài)與絕緣態(tài))對(duì)應(yīng)的樣品中均觀測(cè)到電阻隨磁場(chǎng)的周期性振蕩，振蕩周期對(duì)應(yīng)于庫珀對(duì)的量子磁通h/2e(圖3(a—c))。在以電子為載流子的體系中，電阻振蕩的周期通常對(duì)應(yīng)于h/e。而我們觀測(cè)到的h/2e周期振蕩表明反常金屬態(tài)的載流子由兩個(gè)電子組成，即庫珀對(duì)玻色子，這與傳統(tǒng)金屬以電子為載流子有顯著的區(qū)別，說明庫珀對(duì)在反常金屬態(tài)的形成過程中起到了重要的作用。通過對(duì)量子振蕩振幅的進(jìn)一步分析，我們得到了振蕩振幅以及相位相干長(zhǎng)度隨溫度的依賴關(guān)系。如圖3(d,e)所示，對(duì)于超導(dǎo)態(tài)多孔薄膜，量子振蕩的振幅隨著溫度降低迅速增加直至發(fā)散；對(duì)于絕緣態(tài)薄膜，振蕩振幅隨著溫度降低先增加后減��；而對(duì)于反常金屬態(tài)薄膜，振蕩振幅隨溫度降低先增加然后在低溫下趨于飽和。反常金屬態(tài)的振蕩振幅和相位相干長(zhǎng)度在低溫下飽和的特征，有望揭示反常金屬態(tài)的物理本質(zhì)(如體系的耗散等物理過程)，開啟一個(gè)全新的研究方向。我們的工作為國際學(xué)術(shù)界爭(zhēng)論了三十多年的二維反常金屬態(tài)的存在提供了有力的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，為研究反常金屬的量子起源提供了新的思路。反常金屬(亦有專家稱其為玻色金屬或量子金屬)的證實(shí)得到了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。玻色金屬理論的提出者美國伊利諾伊大學(xué)Philip W.Phillips教授在Science上以《終獲自由：玻色金屬“猛獸出籠”》為題發(fā)表Perspective文章指出，我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果使得“學(xué)術(shù)爭(zhēng)議結(jié)束，玻色子可以像金屬一樣存在”[12]。美國科學(xué)院院士斯坦福大學(xué)Steven A.Kivelson教授在Journal Club for Condensed Matter Physics上發(fā)表評(píng)論文章高度評(píng)價(jià)了我們的工作。Kivelson教授指出，反常金屬的證實(shí)“對(duì)量子材料的理解具有基礎(chǔ)性的重要意義”[13]。


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