高溫超導體系中二維反常金屬態(tài)的證實
發(fā)布時間：2021-03-28 04:09
<正>當超導體的厚度小于庫珀對的相干長度時,庫珀對在厚度方向的運動受限,可以看作是二維超導體。二維超導體系因其中的量子漲落或熱力學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方面的潛在應用價值,已成為超導領域的重要研究方向。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)超導態(tài)、(b)反常金屬態(tài)、(c)絕緣態(tài)的與庫珀對相關的h/2e周期性量子振蕩數(shù)據(jù)圖。量子振蕩的分析結果表明，振蕩振幅(d)和庫珀對的相位相干長度(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[11])
當超導體的厚度小于庫珀對的相干長度時，庫珀對在厚度方向的運動受限，可以看作是二維超導體。二維超導體系因其中的量子漲落或熱力學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方面的潛在應用價值，已成為超導領域的重要研究方向。2015年凝聚態(tài)物理最高獎Buckley獎頒發(fā)給四位美國物理學家，以表彰他們在二維超導體系中發(fā)現(xiàn)超導—絕緣體相變現(xiàn)象，該相變被認為是量子相變的范例。所謂量子相變，是指在絕對零度(-273.15℃)下系統(tǒng)處于量子基態(tài)時隨著參數(shù)(如無序、磁場、門電壓等)變化而發(fā)生的相變。在超導—絕緣體相變中，理論上只有兩種基態(tài)，如果庫珀對可以自由運動則會形成零電阻的超導態(tài)，反之則形成無法導電的絕緣態(tài)[1]。自然規(guī)律的魅力在于總會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與溫度無關的定值，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，最近的實驗表明，用濾波器過濾了測量線路中的高頻噪聲信號后，在低溫下表現(xiàn)為有限電阻的“反常金屬態(tài)”會變成零電阻的超導態(tài)[10]。探測反常金屬態(tài)通常需要進行非常精密的極低溫實驗，對于環(huán)境的要求極高，稍有干擾就會對實驗現(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議，是國際學術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李言榮、熊杰研究團隊以及布朗大學的James M.Valles Jr教授等合作，在高溫超導釔鋇銅氧(YBa2Cu3O7—x(YBCO))納米多孔薄膜中證實了二維反常金屬態(tài)的存在[11]。我們運用反應離子束刻蝕技術在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)反應離子束刻蝕的時間，觀測到了YBCO薄膜中發(fā)生的超導—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，我們在3種量子基態(tài)(超導態(tài)、反常金屬態(tài)與絕緣態(tài))對應的樣品中均觀測到電阻隨磁場的周期性振蕩，振蕩周期對應于庫珀對的量子磁通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應于h/e。而我們觀測到的h/2e周期振蕩表明反常金屬態(tài)的載流子由兩個電子組成，即庫珀對玻色子，這與傳統(tǒng)金屬以電子為載流子有顯著的區(qū)別，說明庫珀對在反常金屬態(tài)的形成過程中起到了重要的作用。通過對量子振蕩振幅的進一步分析，我們得到了振蕩振幅以及相位相干長度隨溫度的依賴關系。如圖3(d,e)所示，對于超導態(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；對于絕緣態(tài)薄膜，振蕩振幅隨著溫度降低先增加后減小；而對于反常金屬態(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)，開啟一個全新的研究方向。我們的工作為國際學術界爭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驗證據(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)的證實得到了國際學術界的廣泛關注。玻色金屬理論的提出者美國伊利諾伊大學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，我們的實驗結果使得“學術爭議結束，玻色子可以像金屬一樣存在”[12]。美國科學院院士斯坦福大學Steven A.Kivelson教授在Journal Club for Condensed Matter Physics上發(fā)表評論文章高度評價了我們的工作。Kivelson教授指出，反常金屬的證實“對量子材料的理解具有基礎性的重要意義”[13]。
本文編號：3104858
【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)超導態(tài)、(b)反常金屬態(tài)、(c)絕緣態(tài)的與庫珀對相關的h/2e周期性量子振蕩數(shù)據(jù)圖。量子振蕩的分析結果表明，振蕩振幅(d)和庫珀對的相位相干長度(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[11])
當超導體的厚度小于庫珀對的相干長度時，庫珀對在厚度方向的運動受限，可以看作是二維超導體。二維超導體系因其中的量子漲落或熱力學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方面的潛在應用價值，已成為超導領域的重要研究方向。2015年凝聚態(tài)物理最高獎Buckley獎頒發(fā)給四位美國物理學家，以表彰他們在二維超導體系中發(fā)現(xiàn)超導—絕緣體相變現(xiàn)象，該相變被認為是量子相變的范例。所謂量子相變，是指在絕對零度(-273.15℃)下系統(tǒng)處于量子基態(tài)時隨著參數(shù)(如無序、磁場、門電壓等)變化而發(fā)生的相變。在超導—絕緣體相變中，理論上只有兩種基態(tài)，如果庫珀對可以自由運動則會形成零電阻的超導態(tài)，反之則形成無法導電的絕緣態(tài)[1]。自然規(guī)律的魅力在于總會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與溫度無關的定值，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，最近的實驗表明，用濾波器過濾了測量線路中的高頻噪聲信號后，在低溫下表現(xiàn)為有限電阻的“反常金屬態(tài)”會變成零電阻的超導態(tài)[10]。探測反常金屬態(tài)通常需要進行非常精密的極低溫實驗，對于環(huán)境的要求極高，稍有干擾就會對實驗現(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議，是國際學術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李言榮、熊杰研究團隊以及布朗大學的James M.Valles Jr教授等合作，在高溫超導釔鋇銅氧(YBa2Cu3O7—x(YBCO))納米多孔薄膜中證實了二維反常金屬態(tài)的存在[11]。我們運用反應離子束刻蝕技術在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)反應離子束刻蝕的時間，觀測到了YBCO薄膜中發(fā)生的超導—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，我們在3種量子基態(tài)(超導態(tài)、反常金屬態(tài)與絕緣態(tài))對應的樣品中均觀測到電阻隨磁場的周期性振蕩，振蕩周期對應于庫珀對的量子磁通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應于h/e。而我們觀測到的h/2e周期振蕩表明反常金屬態(tài)的載流子由兩個電子組成，即庫珀對玻色子，這與傳統(tǒng)金屬以電子為載流子有顯著的區(qū)別，說明庫珀對在反常金屬態(tài)的形成過程中起到了重要的作用。通過對量子振蕩振幅的進一步分析，我們得到了振蕩振幅以及相位相干長度隨溫度的依賴關系。如圖3(d,e)所示，對于超導態(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；對于絕緣態(tài)薄膜，振蕩振幅隨著溫度降低先增加后減小；而對于反常金屬態(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)，開啟一個全新的研究方向。我們的工作為國際學術界爭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驗證據(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)的證實得到了國際學術界的廣泛關注。玻色金屬理論的提出者美國伊利諾伊大學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，我們的實驗結果使得“學術爭議結束，玻色子可以像金屬一樣存在”[12]。美國科學院院士斯坦福大學Steven A.Kivelson教授在Journal Club for Condensed Matter Physics上發(fā)表評論文章高度評價了我們的工作。Kivelson教授指出，反常金屬的證實“對量子材料的理解具有基礎性的重要意義”[13]。
本文編號：3104858
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