近日，beat365官方网站量子材料科學中心王健教授課題組與謝心澄院士、清華大學物理系薛其坤院士、王立莉副研究員、北京師範大學物理學系劉海文教授、中國人民大學物理學系劉易副教授、賓夕法尼亞州立大學物理系Nitin Samarth教授、陝西師範大學物理學與信息技術學院潘明虎教授等合作，在二維界面高溫超導體FeSe/SrTiO3中觀測到了接近20 K的高溫玻色反常金屬态，是迄今為止特征溫度最高的玻色反常金屬态。經過十餘年的系統實驗研究，王健團隊發現通過控制樣品生長條件和制備周期性孔洞陣列來改變二維界面高溫超導FeSe薄膜樣品的正常态電阻，可以實現對二維超導态的有效調控，進而發現了高溫玻色金屬态及其演化規律，并觀測到玻色型奇異金屬态的特征。基于實驗發現，該工作給出了零磁場下玻色反常金屬态的微觀理論模型，也即歐姆耗散影響下的磁通渦旋量子隧穿圖像，為理解反常金屬态的物理起源提供了重要視角。這一工作以“鐵基界面超導體中的高溫反常金屬态”（High-Temperature Anomalous Metal States in Iron-Based Interface Superconductors）為題，于2024年5月31日發表于學術期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）。
超導-絕緣體相變是量子相變的經典範例，距今已有三十多年的研究曆史，是凝聚态物理領域的重要研究方向，相關研究曾獲2015年凝聚态物理最高獎Buckley獎。實驗研究表明，在超導-絕緣體相變過程中，除超導态和絕緣态之外，可能存在着第三種量子基态——玻色反常金屬态（亦被稱為量子金屬态）。在過去的三十多年中，科研工作者對多種二維超導體展開研究，探索玻色反常金屬态的實驗證據。然而，二維反常金屬态的物理起源仍是未解之謎。
王健課題組與合作者在二維超導體系的反常金屬态研究中取得了一系列重要的原創性成果，包括與電子科技大學李言榮研究組等合作在高溫超導钇鋇銅氧（YBCO）多孔薄膜中證實了二維反常金屬态的存在，并揭示出這是一種由玻色子主導的新奇量子基态（Science 366, 1505-1509（2019））；與清華大學薛其坤研究組等合作首次在分子束外延生長的高質量PdTe2超導薄膜中，通過使用高質量濾波器排除外界高頻噪聲的幹擾，觀察到本征反常金屬态的實驗證據（Nano Letters 20, 5728-5734（2020））；與beat365林熙、中國石油大學邢穎等合作在過渡族金屬硫化物4Ha-TaSe2的薄層超導器件中，直接觀測到高頻噪聲誘導的非本征反常金屬态，以及在更低溫更高磁場下，有效濾波後仍然存在的本征反常金屬态（Nano Letters 21, 7486-7494（2021））等。
在本項研究工作中，王健課題組與合作者運用分子束外延生長技術，在SrTiO3（STO）襯底上制備了低至單個原胞厚的高質量晶态FeSe薄膜，并開展了系統的極低溫強磁場電輸運實驗研究。FeSe/STO是一種二維界面高溫超導體系，其超導起始轉變溫度可以超過40 K，零電阻溫度通常在20 K左右。研究發現，在正常态電阻稍大的FeSe/STO體系中，随着溫度不斷降低，體系的電阻會先降低，然後逐漸飽和于一個非零數值（圖1a），同時體系的霍爾系數為零（圖1b），表明該金屬态具有與超導态類似的粒子空穴對稱性，證實FeSe/STO體系中存在玻色反常金屬态。值得注意的是，該反常金屬态的特征溫度接近20 K，超過了所有前期報道中反常金屬态的特征溫度（圖1c）。
圖1 （a）二維界面高溫超導FeSe/STO體系電阻随溫度的變化曲線，展示了特征溫度約為19.7 K的反常金屬行為。（b）電阻與霍爾系數随溫度的關系。（c）不同材料體系中，反常金屬特征溫度及其與超導起始轉變溫度比值的統計結果。
為了進一步研究FeSe/STO體系中的玻色金屬态行為，研究團隊通過反應離子刻蝕技術，在該體系中制備了周期性的孔洞陣列，形成了二維約瑟夫森結陣列結構。通過增加孔洞的刻蝕時間，FeSe/STO約瑟夫森結陣列中的超導島會逐漸縮小，超導島之間的結電阻會增加，體系的正常态電阻也随之增加。研究發現，在210s刻蝕的FeSe/STO多孔薄膜中，反常金屬态的特征溫度約為0.4 K，相比于未打孔的反常金屬特征溫度顯著降低。同時，在FeSe/STO多孔薄膜的反常金屬态的溫區中，磁阻數據表現出了周期為h/2e的庫珀對的量子振蕩，揭示了反常金屬态的玻色本質。
此外，在晶态未打孔和孔洞陣列調控的FeSe/STO體系中，研究團隊還在超導轉變溫度以下，觀測到了電阻随溫度的線性依賴關系（圖2），與表現出非費米液體行為的奇異金屬态的特征相似。在FeSe/STO體系中，該線性電阻的斜率，顯著大于超導轉變溫度之上由費米子主導的奇異金屬态，且在該線性電阻行為的溫度區間内，實驗同時觀測到了h/2e的量子振蕩、霍爾系數明顯抑制等特征。因此，超導轉變溫度以下出現的這種電阻随溫度的線性依賴行為揭示出FeSe/STO體系中存在玻色型奇異金屬态。
圖2 晶态未打孔（a）與孔洞陣列調控（b）的FeSe/STO體系中，電阻随溫度的線性依賴關系，如黑色虛線所示。
在此基礎上，研究團隊提出了零磁場下反常金屬态的微觀理論模型。模型主要基于二維超導體系中磁通渦旋的量子隧穿過程，以及與費米子的耦合給磁通渦旋運動帶來的耗散作用（耗散強度反比于體系的平均結電阻，也可以理解為反比于樣品的正常态電阻），進而給出玻色反常金屬态的電輸運特征。該模型能夠實現對玻色金屬态電阻-溫度曲線的定量拟合（圖3b），以及對玻色金屬态随體系正常态電阻演化規律的定性描述（圖3c）。因此，該項工作不僅揭示出FeSe/STO體系中的高溫反常金屬态，為反常金屬的相關實驗研究提供了重要的平台，而且通過實驗與理論的結合，很好地描述了零磁場下玻色量子金屬态的演化規律，為理解玻色反常金屬态的物理起源開辟了重要的途徑。
圖3（a）磁通渦旋動力學示意圖。（b）反常金屬電阻溫度曲線及相應的理論拟合曲線。（c）不同樣品中，反常金屬特征溫度和超導起始轉變溫度的比值，與樣品正常态電阻的關系。（d）不同耗散強度下模拟得到的電阻溫度理論曲線。
該工作中，beat365與賓夕法尼亞州立大學聯合培養博士生李亞楠（已畢業）、劉海文教授、beat365官方网站量子材料科學中心季浩然博士為本文的共同第一作者，王健教授和劉易副教授為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、北京市自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金項目、季華實驗室、北京凝聚态物理國家研究中心、北京市科協青年人才托舉工程、中央高校基本科研基金、中國人民大學科學研究基金的支持。
論文鍊接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.226003
