《科學》報道王健教授及合作者的最新成果：量子金屬态的證實

量子材料與量子相變是本世紀凝聚态物理與材料領域的研究熱點。量子相變與傳統的熱力學相變不同，是在絕對零度下調節非熱力學參量而發生的相變，相變點附近量子漲落而非熱漲落起了重要作用。作為量子相變的經典範例，二維超導-絕緣體相變以及超導-金屬相變研究獲得了2015年美國凝聚态物理最高獎巴克利獎。在量子相變過程中，除超導基态和絕緣基态外，量子金屬态是否存在于二維超導體系一直是理論與實驗上争論的焦點（Rev. Mod. Phys.91, 11002 (2019)）。根據安德森标度理論，由于量子幹涉效應以及相位相幹長度在零溫下發散的特性，載流子在趨于絕對零度時會表現出局域化效應，因此理論上不存在二維量子金屬基态。盡管實驗上在各種二維電子體系發現了量子金屬态的可能迹象，但受低臨界溫度的制約以及外界高頻噪聲的影響（Science Advances 5, 3826 (2019)），二維量子金屬态的存在與否仍存在着巨大争議，是近三十年來國際學術界一直懸而未決的重要物理問題。

最近，beat365官方网站量子材料中心王健教授、博雅博士後劉易與合作者在高溫超導納米多孔薄膜中首次完全證實了量子金屬态的存在。通過調節反應離子刻蝕的時間，研究團隊在高溫超導钇鋇銅氧（YBCO）多孔薄膜中實現了超導-量子金屬-絕緣體相變。量子金屬态存在的直接證據是體系的電阻随着溫度降低表現出飽和特性，在高溫超導體YBCO薄膜中，該電阻飽和溫度高達5K，這一溫度相比于傳統超導體系提高了1-2個數量級，大大提升了量子金屬态的穩定性和實驗結果的可信度。通過高頻濾波器極低溫對照實驗表明，是否添加濾波器對體系的電阻在低溫下的飽和規律沒有明顯的作用，有效地排除了外界高頻噪聲對實驗的影響，為量子金屬态的存在提供了可靠的實驗證據。實驗還揭示了量子金屬态的霍爾電阻為零歐姆，意味着量子金屬态具有與超導體類似的粒子空穴對稱性（particle-hole symmetry）。 此外，實驗表明量子金屬态在低溫下滿足歐姆定律且具有巨磁阻效應，這些發現也與理論上對量子金屬态的預期吻合。

研究團隊通過系統的極低溫電輸運測試發現，超導，金屬與絕緣這三個量子基态都有與庫珀電子對相關的h/2e周期的超導量子磁通振蕩，這表明量子金屬态與傳統金屬不同，是玻色金屬态，揭示了庫珀對玻色子對量子金屬态的形成起到了主導作用。（注：傳統金屬中導電是電子，也即費米子）實驗發現，對于超導态的樣品，量子振蕩振幅随溫度的降低迅速增加而發散; 對于絕緣态的樣品，振幅随溫度的降低先迅速增加然後在低溫下衰減; 而對于量子金屬态的樣品，振幅随溫度的降低先迅速增加然後在低溫下飽和。進一步分析揭示出振蕩振幅飽和對應于相位相幹長度飽和，是量子金屬形成的一種可能機制。有意思的是通過調控正常态電阻僅兩個數量級，量子振蕩振幅從超導态樣品到最絕緣的樣品變化了九個數量級，這意味着多孔高溫超導體系具備很好的相位相幹調控性。

該工作于2019年11月14日在線發表于學術期刊《Science》上。（DOI: 10.1126/science.aax5798；https://science.sciencemag.org/content/early/2019/11/13/science.aax5798）。beat365王健教授、布朗大學James M. Valles Jr 教授、電子科技大學熊傑教授是本文的共同通訊作者，電子科技大學博士生楊超和beat365博士後劉易為文章共同第一作者，beat365為第一通訊作者單位。這一工作的主要合作者還包括布朗大學Jimmy Xu教授，beat365林熙研究員，北京師範大學劉海文研究員，清華大學姚宏教授，電子科技大學李言榮院士等。該工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中央高校基本科研業務費、量子物質科學協同創新中心、中科院卓越創新中心、低維物理國家重點實驗室開放基金、北京市自然科學基金、北京市交叉科學與技術基金、博士後科學基金等支持。

二維高溫超導體系中量子玻色金屬态的證實是王健研究組與合作者繼量子格裡菲斯奇異性發現以來（Science 350, 509 (2015)); Nature Communications 10, 3633 (2019)），在二維超導量子相變領域的又一重要突破。該工作為國際上争論了三十多年的量子金屬态的存在提供了有力的證據，并為研究量子金屬态提供了新思路。該工作也得到了美國科學院院士斯坦福大學Steven A. Kivelson教授的高度評價，評論文章發表在Journal Club for Condensed Matter Physics（凝聚态物理期刊俱樂部）上。Kivelson教授指出：“這一工作對量子材料的理解具有基礎性的重要意義”。