量子相变理论研究报告论文

2022年1月12日，国际著名期刊《Nature》发表了电子科大题为《玻色子体系中的奇异金属态》（Signatures of a strange metal in a bosonic system）的研究论文，首次在高温超导体中发现并证实了玻色子奇异金属。该工作是该校电子薄膜与集成器件国家重点实验室李言荣院士团队为主完成的，博士生杨超为第一作者，熊杰教授为第一通讯作者。这是该团队继2019年在《Science》上首次报道实验发现量子金属态后，在量子 科技 领域取得的又一重大发现。

国际著名理论物理学家、美国科学院院士Chandra M. Varma发表专题评论文章，高度评价玻色子奇异金属的发现是凝聚态物理领域的重大突破。Nature审稿人评价此工作是引领量子理论发展的transformative变革性成果。同时，Nature配发专题亮点评述文章，评价这项工作突破了现有对奇异金属态与无序超导体的认知框架，将推动凝聚态物理学领域向前迈出一大步。这一发现为理解凝聚态物理中奇异金属的物理规律、揭示奇异金属的普适性、完善量子相变理论奠定了重要的科学基础，对揭示耗散效应对玻色子量子相干的定量影响，推动未来低能耗超导量子计算以及极高灵敏量子探测技术的发展具有重要的理论和实际意义。

YBCO纳米网孔薄膜中量子金属-绝缘体量子相变点附近的奇异金属态（a）输运特性曲线，（b）线性磁电阻曲线，（c）霍尔电阻Rxy随温度的变化曲线，（d）玻色子奇异金属相图

宇宙中的基本粒子分为费米子与玻色子两种。其中，人类 社会 目前赖以生存的电子工业与器件发展几乎完全基于费米子体系，但由于能耗高、损耗大，物理尺寸已近极限，面临性能持续提升的瓶颈问题，无法满足快速增长的信息传输需求。而以高温超导体为代表的玻色子器件，具有完美的零损耗能量传递特性，有望带来电子信息工业的革命性变化。奇异金属，顾名思义，与普通金属不同，其电阻率与温度成正比，存在于铜基高温超导体中，是一种电子之间高度量子纠缠的新物质状态，其混乱程度趋向于量子力学极限。早在三十年前，科学家们就发现了费米子奇异金属，但是否存在玻色子奇异金属是长期以来难以攻克的科学难题。

电子科大李言荣院士、熊杰教授研究小组，与美国布朗大学James M. Valles Jr 教授，北京大学谢心澄院士、王健教授，北京师范大学刘海文研究员，四川大学等合作者们协同攻关，成功突破了费米子体系的限制，首次在玻色子体系中诱导出奇异金属态。研究团队通过在高温超导钇钡铜氧（YBCO）薄膜中精准构筑纳米网孔阵列，实现了对玻色子相干性、耗散能等物性的跨尺度调控，在量子相变临界区发现了电阻随温度与磁场线性变化的奇异金属态。同时，低于超导临界温度时，体系霍尔电阻急剧减少为零，并且存在与库珀电子对相关的h/2e超导量子磁电阻振荡，证明体系的载流子是玻色子。进一步通过标度分析，发现玻色子奇异金属的电阻由温度与磁场简单的线性相加决定，证明了电阻在量子临界区与体系内在的能量尺度无关，满足标度不变的关系，揭示了玻色子在量子临界区存在奇异的动力学行为；建立了玻色子奇异金属的完备相图，阐释了玻色系统耗散量子相变的物理图像。

艾姆斯实验室的物理学家，成功地在一个重要但难以到达的区域对铁基超导体进行了测量，在这个区域，临界量子涨落主导着物理过程。使用一种新的传感技术，研究人员准确地绘制了超导状态深处的量子相变，即一种理论上与超导紧密耦合的现象。这种创新的实验装置，被称为氮空位(NV)磁镜，具有高灵敏度，实际上是非侵入性的，比以前用于 探索 超导材料中类似物理的实验装置更精确。这在超导体科学中真是一个令人着迷的结果：清楚地了解了量子相变是如何与超导共存。艾姆斯实验室的物理学家普罗佐罗夫说：似乎超导相保护了量子临界行为不受无序影响，这是相当了不起的！随着继续研究具有这种新能力的其他材料，这将有助于回答有关非常规超导起源的重要理论问题。研究小组使用NV探测器精确测量了伦敦穿透深度，即磁场从超导体表面穿透到超导体的深度，其研究发表在《新物理学》​期刊上。这个深度与有效电子质量直接相关，有效电子质量是受量子涨落影响的量，它标志着量子相变的存在。通过系统地测量由保罗·坎菲尔德的研究小组，在艾姆斯实验室生长铁肽化合物Ba(Fe，Co)2As2的不同成分，研究团队可以绘制出当温度接近绝对零度时，通常隐藏在超导“穹顶”下量子相变的存在。普罗佐罗夫带领一组科学家在艾姆斯实验室的低温实验室里，研究超导体耐人寻味的行为，并试图解开各种量子现象如何影响它们的性能。研究人员专门开发独特的超高精度和超灵敏度实验技术来测量这些行为的光学、磁学和电学特征。NV探测器是由艾姆斯实验室科学家Naufer Nusran和研究生Kamal Joshi从头开始建造的，这是一种光学磁强计，利用了钻石中一种特殊原子缺陷的量子态，称为氮空位(NV)中心。Nusran还设计了一种新颖的方法，利用NV中心来测量导致伦敦渗透深度的较低临界场，伦敦穿透深度是描述超导体的最基本参数之一。基本上可以告诉我们超导体的稳定程度，NV传感代表着实验超导方面的一个重大进步。普罗佐罗夫实验室是一个国际研究合作的一部分，该合作发现了第一个明确的证据，表明量子临界点(QCP)在超导状态深处存活了下来。目前的研究表明，使用新的方法，检查具有大量无序的超导系统。综上所述，这些研究证明量子相变和临界涨落不仅与超导电性共存，甚至可能受到超导电性的保护，不受无序效应的影响。这一结果是解开铁基超导之谜的又一重要线索，然而，要全面 探索 非常规超导体的科学，还有很多工作要做。为此，必须开发更新、更复杂的量子传感方法。新的量子传感方法可以探测纳米级的量子涨落，这将使人们能够更深入地研究高温超导体中竞争和共存的量子相以及许多其他材料科学问题。这些新颖的能力，最终将揭示超导体和其他量子材料在技术应用中的极限条件和可行性。