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2022年1月12日，國(guó)際著名期刊《Nature》發(fā)表了電子科技大學(xué)題為《玻色子體系中的奇異金屬態(tài)》（Signatures of a strange metal in a bosonic system）的研究論文，首次在高溫超導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了玻色子奇異金屬。該工作是電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李言榮院士團(tuán)隊(duì)為主完成的，博士生楊超為第一作者，熊杰教授為第一通訊作者。這是該團(tuán)隊(duì)繼2019年在《Science》上首次報(bào)道實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)量子金屬態(tài)后，在量子科技領(lǐng)域取得的又一重大發(fā)現(xiàn)。

國(guó)際著名理論物理學(xué)家、美國(guó)科學(xué)院院士Chandra M. Varma發(fā)表專題評(píng)論文章，高度評(píng)價(jià)玻色子奇異金屬的發(fā)現(xiàn)是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的重大突破。Nature審稿人評(píng)價(jià)此工作是引領(lǐng)量子理論發(fā)展的transformative變革性成果。同時(shí)，Nature配發(fā)專題亮點(diǎn)評(píng)述文章，評(píng)價(jià)這項(xiàng)工作突破了現(xiàn)有對(duì)奇異金屬態(tài)與無(wú)序超導(dǎo)體的認(rèn)知框架，將推動(dòng)凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域向前邁出一大步。這一發(fā)現(xiàn)為理解凝聚態(tài)物理中奇異金屬的物理規(guī)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(xué)基礎(chǔ)，對(duì)揭示耗散效應(yīng)對(duì)玻色子量子相干的定量影響，推動(dòng)未來(lái)低能耗超導(dǎo)量子計(jì)算以及極高靈敏量子探測(cè)技術(shù)的發(fā)展具有重要的理論和實(shí)際意義。

YBCO納米網(wǎng)孔薄膜中量子金屬-絕緣體量子相變點(diǎn)附近的奇異金屬態(tài)

（a）輸運(yùn)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(fèi)米子與玻色子兩種。其中，人類社會(huì)目前賴以生存的電子工業(yè)與器件發(fā)展幾乎完全基于費(fèi)米子體系，但由于能耗高、損耗大，物理尺寸已近極限，面臨性能持續(xù)提升的瓶頸問(wèn)題，無(wú)法滿足快速增長(zhǎng)的信息傳輸需求。而以高溫超導(dǎo)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(lái)電子信息工業(yè)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，存在于銅基高溫超導(dǎo)體中，是一種電子之間高度量子糾纏的新物質(zhì)狀態(tài)，其混亂程度趨向于量子力學(xué)極限。早在三十年前，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)了費(fèi)米子奇異金屬，但是否存在玻色子奇異金屬是長(zhǎng)期以來(lái)難以攻克的科學(xué)難題。

電子科技大學(xué)李言榮院士、熊杰教授研究小組，與美國(guó)布朗大學(xué)James M. Valles Jr 教授，北京大學(xué)謝心澄院士、王健教授，北京師范大學(xué)劉海文研究員，四川大學(xué)等合作者們協(xié)同攻關(guān)，成功突破了費(fèi)米子體系的限制，首次在玻色子體系中誘導(dǎo)出奇異金屬態(tài)。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在高溫超導(dǎo)釔鋇銅氧（YBCO）薄膜中精準(zhǔn)構(gòu)筑納米網(wǎng)孔陣列，實(shí)現(xiàn)了對(duì)玻色子相干性、耗散能等物性的跨尺度調(diào)控，在量子相變臨界區(qū)發(fā)現(xiàn)了電阻隨溫度與磁場(chǎng)線性變化的奇異金屬態(tài)。同時(shí)，低于超導(dǎo)臨界溫度時(shí)，體系霍爾電阻急劇減少為零，并且存在與庫(kù)珀電子對(duì)相關(guān)的h/2e超導(dǎo)量子磁電阻振蕩，證明體系的載流子是玻色子。進(jìn)一步通過(guò)標(biāo)度分析，發(fā)現(xiàn)玻色子奇異金屬的電阻由溫度與磁場(chǎng)簡(jiǎn)單的線性相加決定，證明了電阻在量子臨界區(qū)與體系內(nèi)在的能量尺度無(wú)關(guān)，滿足標(biāo)度不變的關(guān)系，揭示了玻色子在量子臨界區(qū)存在奇異的動(dòng)力學(xué)行為；建立了玻色子奇異金屬的完備相圖，闡釋了玻色系統(tǒng)耗散量子相變的物理圖像。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04239-y

2019年11月14日，國(guó)際著名期刊《Science》以“first release”形式刊發(fā)《超導(dǎo)-絕緣相變中的玻色金屬態(tài)》（Intermediate bosonic metallic state in the superconductor-insulator transition），我校電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生楊超（導(dǎo)師李言榮院士）為第一作者，熊杰教授為通訊作者，張萬(wàn)里教授、李言榮院士為共同作者。這是我校首次以第一單位在《科學(xué)》正刊上發(fā)表研究成果，該發(fā)現(xiàn)是在我校國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室做出的原創(chuàng)成果，標(biāo)志著我校在高溫超導(dǎo)量子相變領(lǐng)域取得了重大研究進(jìn)展。

量子材料以及量子相變是本世紀(jì)凝聚態(tài)物理與材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。自高溫超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)以來(lái)，二維量子金屬態(tài)的存在及其形成機(jī)制是三十多年來(lái)國(guó)際學(xué)術(shù)界一直懸而未決的重要物理問(wèn)題。電子科技大學(xué)張萬(wàn)里、熊杰研究團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)王健教授團(tuán)隊(duì)、林熙研究員課題組、北京師范大學(xué)劉海文研究員、清華大學(xué)姚宏教授、美國(guó)布朗大學(xué)James M. Valles Jr 教授等合作首次在高溫超導(dǎo)納米多孔薄膜中完全證實(shí)了量子金屬態(tài)的存在。通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)離子刻蝕的時(shí)間，在高溫超導(dǎo)釔鋇銅氧（YBCO）多孔薄膜中實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)—量子金屬—絕緣體相變。通過(guò)極低溫輸運(yùn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)、金屬與絕緣這三個(gè)量子態(tài)都有與庫(kù)珀電子對(duì)相關(guān)的h/2e周期的超導(dǎo)量子磁導(dǎo)振蕩，證明量子金屬態(tài)是玻色金屬態(tài)，揭示出庫(kù)珀對(duì)玻色子對(duì)于量子金屬態(tài)的形成起到了主導(dǎo)作用。

圖A-C：納米多孔超導(dǎo)薄膜示意圖；圖D-E：電阻溫度輸運(yùn)曲線；圖F：量子磁導(dǎo)振蕩曲線

該工作得到了美國(guó)科學(xué)院院士、斯坦福大學(xué)Steven A. Kivelson教授的高度評(píng)價(jià)，評(píng)論文章發(fā)表在凝聚態(tài)物理雜志俱樂(lè)部上。Steven教授指出：“對(duì)于量子金屬起源的探索將會(huì)改變我們對(duì)量子材料的認(rèn)識(shí)，將極大推動(dòng)量子器件領(lǐng)域的發(fā)展”。這一發(fā)現(xiàn)為國(guó)際上爭(zhēng)論了三十多年的量子金屬態(tài)的存在提供了有力的證據(jù)，并為研究量子金屬態(tài)提供了新思路。

從“十三五”開(kāi)始，在李言榮院士的帶領(lǐng)下，張萬(wàn)里教授團(tuán)隊(duì)在量子信息材料與器件、二維材料與器件、異質(zhì)異構(gòu)集成技術(shù)等前沿交叉領(lǐng)域積極謀劃和布局，在Science、Nature Chemistry、Nature Communications、Advanced Materials等國(guó)際著名期刊發(fā)表系列創(chuàng)新性研究成果，牽頭獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)，這些成果顯著提高了我校在電子薄膜材料與器件領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外影響力。

量子材料以及量子相變是本世紀(jì)凝聚態(tài)物理與材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。量子相變與傳統(tǒng)的熱力學(xué)相變不同，是在絕對(duì)零度下調(diào)節(jié)非熱力學(xué)參量（如磁場(chǎng)、摻雜、壓強(qiáng)、無(wú)序度等）而發(fā)生的相變，相變點(diǎn)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(jīng)典范例，二維超導(dǎo)-絕緣體相變以及超導(dǎo)-金屬相變研究獲得了2015年美國(guó)凝聚態(tài)物理最高獎(jiǎng)巴克利獎(jiǎng)。在二維超導(dǎo)的量子相變過(guò)程中，除超導(dǎo)態(tài)與絕緣態(tài)兩種基態(tài)外，是否存在量子金屬態(tài)一直是理論與實(shí)驗(yàn)上爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。根據(jù)安德森標(biāo)度理論，由于量子干涉效應(yīng)以及相位相干長(zhǎng)度在零溫下發(fā)散的特性，載流子在趨于絕對(duì)零度時(shí)會(huì)表現(xiàn)出局域化效應(yīng)，因此理論上不存在二維量子金屬態(tài)。盡管實(shí)驗(yàn)上在各種二維超導(dǎo)體系發(fā)現(xiàn)了量子金屬態(tài)的可能跡象，但受低臨界溫度的制約以及外界高頻噪聲的影響，二維量子金屬態(tài)的存在及其形成機(jī)制仍存在著巨大的爭(zhēng)議，是三十多年來(lái)國(guó)際學(xué)術(shù)界一直懸而未決的重要物理問(wèn)題。

論文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/early/2019/11/13/science.aax5798