超導-絕緣體/金屬相變是量子相變的經典範例，至今已有三十多年的研究曆史。作為一種新奇的超導-金屬相變現象，量子格裡菲斯奇異性揭示了淬火無序在量子相變中的重要作用。2015年，beat365官方网站量子材料科學中心王健教授課題組與合作者在三個原子層厚的镓（Ga）超導薄膜中發現量子格裡菲斯奇異性，其重要特征之一是動力學臨界指數在相變臨界點的發散行為（Science 350, 542 (2015)）。随後，垂直磁場下的量子格裡菲斯奇異性陸續在其他二維超導材料中被觀測到（Phys. Rev. B 94, 144517 (2016)；Nano Lett. 17, 6802 (2017)；Nat. Commun. 10, 3633 (2019)）。理論上，量子格裡菲斯奇異性的物理機制與磁通的作用緊密相關，然而該性質能否在無磁通情形下存在，仍是一個未解之謎。
最近，王健教授課題組與謝心澄院士、林熙研究員，及中國人民大學劉易副研究員、北京師範大學劉海文研究員、清華大學薛其坤院士和王立莉副研究員、中國石油大學（北京）邢穎副教授等合作，在分子束外延生長的高質量晶态二碲化钯（PdTe2）超導薄膜中觀測到了平行磁場下的量子格裡菲斯奇異性。聯合研究團隊系統地實驗研究了四個原胞層厚（約2 nm）的PdTe2薄膜的超導-金屬相變行為，在垂直和平行磁場下均觀測到不同溫度下的磁阻曲線交疊于一個區域。對上述實驗結果進行标度理論分析，表明四層PdTe2薄膜在垂直和平行磁場下的臨界指數均随着磁場的增加而增加，直至發散——這是量子格裡菲斯奇異性的典型特征。理論認為，量子格裡菲斯相的形成伴随着從磁通格子到磁通玻璃相的轉變；而在平行磁場下，磁通無法形成，因此平行場量子格裡菲斯奇異性的發現揭示了一種與磁通無關的全新的量子相變物理機制。當薄膜厚度增加到六層時，量子格裡菲斯奇異性在垂直磁場下已經消失，但在平行磁場下依然存在。六層PdTe2薄膜在不同的磁場方向下表現出的不同量子相變行為，進一步證明了垂直和平行磁場下量子格裡菲斯奇異性的微觀過程存在差異。
研究表明，PdTe2超導薄膜是一種具有強自旋軌道耦合的第二類伊辛超導體（Nano Lett. 20, 5728 (2020)），面内臨界場的大小取決于等效塞曼型自旋軌道耦合的強度。在薄膜的不同區域中，由于無序程度略有不同，其臨界場大小也有所差異。當平行磁場的強度接近體系的平行臨界場時，無序更強的區域由于超導更容易被破壞而形成正常态，而無序較弱的區域依然保持超導态。這種局域的超導區域被稱為稀有區域。平行磁場下稀有區域的形成最終導緻了量子格裡菲斯奇異性的産生。
（a）标準四級法測量平行磁場下的PdTe2薄膜電輸運性質示意圖；（b）平行磁場下不同溫度的電阻随磁場的依賴關系；（c）平行磁場下量子格裡菲斯奇異性的主要實驗證據，即臨界指數的發散行為；（d）帶有無關修正項的直接激活标度分析結果，即給出量子格裡菲斯奇異性的直接證據
此外，聯合研究團隊還細緻考慮了無關參量對标度理論的影響，提出一種帶有無關修正項的直接激活标度分析方法（所謂的無關修正項，是指在有限溫度下研究絕對零度發生的量子相變時所必須考慮的修正項）。基于上述新理論，對體系的相邊界進行了拟合，并對低溫下的磁阻曲線做了修正，從而可以開展直接的激活标度分析。這一方法相比于前期工作中的間接激活标度分析而言，是一步重要的突破，為證明量子格裡菲斯奇異性的存在提供了新的證據。
垂直磁場作為調控二維超導（尤其是二維晶态超導）量子相變的有效手段，已得到國際學術界的廣泛認可和關注。然而，平行磁場下的量子相變行為卻鮮有研究報道。平行磁場下量子格裡菲斯奇異性的發現揭示了在無磁通作用下一種新的微觀機制，改變了人們對于磁場調控的量子相變中物理規律的慣有理解，為研究平行磁場下的量子相變開辟了思路。該工作将會激發更多關于平行磁場下超導-絕緣體/金屬相變的深入讨論，進而推動量子相變新物理圖像與模型的建立。
2021年9月24日，相關研究成果以“二維晶态超導體中的平行場量子格裡菲斯奇異性”（Observation of in-plane quantum Griffiths singularity in two-dimensional crystalline superconductors）為題，在線發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）；劉易和beat365官方网站量子材料科學中心2020級博士研究生齊世超為共同第一作者，王健和劉海文為共同通訊作者。
上述研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項（B類）和中國博士後科學基金等支持。
論文原文鍊接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.137001
