電子科大李言榮院士團隊繼Science后再發Nature

原標題:電子科大李言榮院士團隊繼Science後再發Nature

2022年1月12日,國際著名期刊《Nature》發表了電子科大題為《玻色子體系中的奇異金屬態》(Signatures of a strange metal in a bosonic system)的研究論文,首次在高溫超導體中發現並證實了玻色子奇異金屬。該工作是該校電子薄膜與集成器件國家重點實驗室李言榮院士團隊為主完成的,博士生楊超為第一作者,熊傑教授為第一通訊作者。這是該團隊繼2019年在《Science》上首次報導實驗發現量子金屬態後,在量子科技領域取得的又一重大發現。

國際著名理論物理學家、美國科學院院士Chandra M. Varma發表專題評論文章,高度評價玻色子奇異金屬的發現是凝聚態物理領域的重大突破。Nature審稿人評價此工作是引領量子理論發展的transformative變革性成果。同時,Nature配發專題亮點評述文章,評價這項工作突破了現有對奇異金屬態與無序超導體的認知框架,將推動凝聚態物理學領域向前邁出一大步。這一發現為理解凝聚態物理中奇異金屬的物理規律、揭示奇異金屬的普適性、完善量子相變理論奠定了重要的科學基礎,對揭示耗散效應對玻色子量子相干的定量影響,推動未來低能耗超導量子計算以及極高靈敏量子探測技術的發展具有重要的理論和實際意義。

YBCO納米網孔薄膜中量子金屬-絕緣體量子相變點附近的奇異金屬態(a)輸運特性曲線,(b)線性磁電阻曲線,(c)霍爾電阻Rxy隨溫度的變化曲線,(d)玻色子奇異金屬相圖

宇宙中的基本粒子分為費米子與玻色子兩種。其中,人類社會目前賴以生存的電子工業與器件發展幾乎完全基於費米子體系,但由於能耗高、損耗大,物理尺寸已近極限,面臨性能持續提升的瓶頸問題,無法滿足快速增長的信息傳輸需求。而以高溫超導體為代表的玻色子器件,具有完美的零損耗能量傳遞特性,有望帶來電子信息工業的革命性變化。奇異金屬,顧名思義,與普通金屬不同,其電阻率與溫度成正比,存在於銅基高溫超導體中,是一種電子之間高度量子糾纏的新物質狀態,其混亂程度趨向於量子力學極限。早在三十 年前,科學家們就發現了費米子奇異金屬,但是否存在玻色子奇異金屬是長期以來難以攻克的科學難題。

電子科大李言榮院士、熊傑教授研究小組,與美國Brown大學James M. Valles Jr 教授,北京大學謝心澄院士、王健教授,北京師範大學劉海文研究員,四川大學等合作者們協同攻關,成功突破了費米子體系的限制,首次在玻色子體系中誘導出奇異金屬態。研究團隊通過在高溫超導釔鋇銅氧(YBCO)薄膜中精準構築納米網孔陣列,實現了對玻色子相干性、耗散能等物性的跨尺度調控,在量子相變臨界區發現了電阻隨溫度與磁場線性變化的奇異金屬態。同時,低於超導臨界溫度時,體系霍爾電阻急劇減少為零,並且存在與庫珀電子對相關的h/2e超導量子磁電阻振蕩,證明體系的載流子是玻色子。進一步通過標度分析,發現玻色子奇異金屬的電阻由溫度與磁場簡單的線性相加決定,證明了電阻在量子臨界區與體系內在的能量尺度無關,滿足標度不變的關係,揭示了玻色子在量子臨界區存在奇異的動力學行為;建立了玻色子奇異金屬的完備相圖,闡釋了玻色系統耗散量子相變的物理圖像。

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