高温超导体系中二维反常金属态的证实
发布时间：2021-03-28 04:09
<正>当超导体的厚度小于库珀对的相干长度时,库珀对在厚度方向的运动受限,可以看作是二维超导体。二维超导体系因其中的量子涨落或热力学涨落带来的诸多新奇现象,以及在低耗散或无耗散电子学方面的潜在应用价值,已成为超导领域的重要研究方向。2015年凝聚
【文章来源】：物理. 2020,49(02)北大核心
【文章页数】：3 页
【部分图文】：
YBCO薄膜中(a)超导态、(b)反常金属态、(c)绝缘态的与库珀对相关的h/2e周期性量子振荡数据图。量子振荡的分析结果表明，振荡振幅(d)和库珀对的相位相干长度(e)在低温下饱和。这一发现有望揭示反常金属态的物理本质(引自参考文献[11])
当超导体的厚度小于库珀对的相干长度时，库珀对在厚度方向的运动受限，可以看作是二维超导体。二维超导体系因其中的量子涨落或热力学涨落带来的诸多新奇现象，以及在低耗散或无耗散电子学方面的潜在应用价值，已成为超导领域的重要研究方向。2015年凝聚态物理最高奖Buckley奖颁发给四位美国物理学家，以表彰他们在二维超导体系中发现超导—绝缘体相变现象，该相变被认为是量子相变的范例。所谓量子相变，是指在绝对零度(-273.15℃)下系统处于量子基态时随着参数(如无序、磁场、门电压等)变化而发生的相变。在超导—绝缘体相变中，理论上只有两种基态，如果库珀对可以自由运动则会形成零电阻的超导态，反之则形成无法导电的绝缘态[1]。自然规律的魅力在于总会有意想不到的事情发生。三十多年前，Ga、Pb、In等颗粒状薄膜的研究揭示了二维超导体系中可能存在的一种新奇特性：随着温度降低，薄膜的电阻先迅速下降然后逐渐趋于一个与温度无关的定值，类似金属特性[2]。这种特殊的金属态，无法用传统金属理论Drude模型来解释，被称为反常金属态[3]。在过去的三十多年里，各国科学家们陆续在无定形MoGe薄膜、Ta薄膜、TaN薄膜、InO薄膜、石墨烯上的Sn岛阵列以及栅极调制的ZrNCl等多种二维超导体系中观察到所谓“反常金属态”的迹象[4—9]。然而，最近的实验表明，用滤波器过滤了测量线路中的高频噪声信号后，在低温下表现为有限电阻的“反常金属态”会变成零电阻的超导态[10]。探测反常金属态通常需要进行非常精密的极低温实验，对于环境的要求极高，稍有干扰就会对实验现象产生极大的影响。因此，二维体系中是否存在反常金属充满争议，是国际学术界一直悬而未决的重要物理难题。近期，我们与电子科技大学李言荣、熊杰研究团队以及布朗大学的James M.Valles Jr教授等合作，在高温超导钇钡铜氧(YBa2Cu3O7—x(YBCO))纳米多孔薄膜中证实了二维反常金属态的存在[11]。我们运用反应离子束刻蚀技术在12 nm厚的YBCO薄膜上刻蚀出三角排列的孔洞阵列(图1(a—c))。通过调节反应离子束刻蚀的时间，观测到了YBCO薄膜中发生的超导—反常金属—绝缘体量子相变(图1(d))，这是一种典型的受无序调控的量子相变。
更有意思的是，由于YBCO薄膜的孔洞十分均匀，我们在3种量子基态(超导态、反常金属态与绝缘态)对应的样品中均观测到电阻随磁场的周期性振荡，振荡周期对应于库珀对的量子磁通h/2e(图3(a—c))。在以电子为载流子的体系中，电阻振荡的周期通常对应于h/e。而我们观测到的h/2e周期振荡表明反常金属态的载流子由两个电子组成，即库珀对玻色子，这与传统金属以电子为载流子有显著的区别，说明库珀对在反常金属态的形成过程中起到了重要的作用。通过对量子振荡振幅的进一步分析，我们得到了振荡振幅以及相位相干长度随温度的依赖关系。如图3(d,e)所示，对于超导态多孔薄膜，量子振荡的振幅随着温度降低迅速增加直至发散；对于绝缘态薄膜，振荡振幅随着温度降低先增加后减小；而对于反常金属态薄膜，振荡振幅随温度降低先增加然后在低温下趋于饱和。反常金属态的振荡振幅和相位相干长度在低温下饱和的特征，有望揭示反常金属态的物理本质(如体系的耗散等物理过程)，开启一个全新的研究方向。我们的工作为国际学术界争论了三十多年的二维反常金属态的存在提供了有力的实验证据，为研究反常金属的量子起源提供了新的思路。反常金属(亦有专家称其为玻色金属或量子金属)的证实得到了国际学术界的广泛关注。玻色金属理论的提出者美国伊利诺伊大学Philip W.Phillips教授在Science上以《终获自由：玻色金属“猛兽出笼”》为题发表Perspective文章指出，我们的实验结果使得“学术争议结束，玻色子可以像金属一样存在”[12]。美国科学院院士斯坦福大学Steven A.Kivelson教授在Journal Club for Condensed Matter Physics上发表评论文章高度评价了我们的工作。Kivelson教授指出，反常金属的证实“对量子材料的理解具有基础性的重要意义”[13]。
本文编号：3104858
【文章来源】：物理. 2020,49(02)北大核心
【文章页数】：3 页
【部分图文】：
YBCO薄膜中(a)超导态、(b)反常金属态、(c)绝缘态的与库珀对相关的h/2e周期性量子振荡数据图。量子振荡的分析结果表明，振荡振幅(d)和库珀对的相位相干长度(e)在低温下饱和。这一发现有望揭示反常金属态的物理本质(引自参考文献[11])
当超导体的厚度小于库珀对的相干长度时，库珀对在厚度方向的运动受限，可以看作是二维超导体。二维超导体系因其中的量子涨落或热力学涨落带来的诸多新奇现象，以及在低耗散或无耗散电子学方面的潜在应用价值，已成为超导领域的重要研究方向。2015年凝聚态物理最高奖Buckley奖颁发给四位美国物理学家，以表彰他们在二维超导体系中发现超导—绝缘体相变现象，该相变被认为是量子相变的范例。所谓量子相变，是指在绝对零度(-273.15℃)下系统处于量子基态时随着参数(如无序、磁场、门电压等)变化而发生的相变。在超导—绝缘体相变中，理论上只有两种基态，如果库珀对可以自由运动则会形成零电阻的超导态，反之则形成无法导电的绝缘态[1]。自然规律的魅力在于总会有意想不到的事情发生。三十多年前，Ga、Pb、In等颗粒状薄膜的研究揭示了二维超导体系中可能存在的一种新奇特性：随着温度降低，薄膜的电阻先迅速下降然后逐渐趋于一个与温度无关的定值，类似金属特性[2]。这种特殊的金属态，无法用传统金属理论Drude模型来解释，被称为反常金属态[3]。在过去的三十多年里，各国科学家们陆续在无定形MoGe薄膜、Ta薄膜、TaN薄膜、InO薄膜、石墨烯上的Sn岛阵列以及栅极调制的ZrNCl等多种二维超导体系中观察到所谓“反常金属态”的迹象[4—9]。然而，最近的实验表明，用滤波器过滤了测量线路中的高频噪声信号后，在低温下表现为有限电阻的“反常金属态”会变成零电阻的超导态[10]。探测反常金属态通常需要进行非常精密的极低温实验，对于环境的要求极高，稍有干扰就会对实验现象产生极大的影响。因此，二维体系中是否存在反常金属充满争议，是国际学术界一直悬而未决的重要物理难题。近期，我们与电子科技大学李言荣、熊杰研究团队以及布朗大学的James M.Valles Jr教授等合作，在高温超导钇钡铜氧(YBa2Cu3O7—x(YBCO))纳米多孔薄膜中证实了二维反常金属态的存在[11]。我们运用反应离子束刻蚀技术在12 nm厚的YBCO薄膜上刻蚀出三角排列的孔洞阵列(图1(a—c))。通过调节反应离子束刻蚀的时间，观测到了YBCO薄膜中发生的超导—反常金属—绝缘体量子相变(图1(d))，这是一种典型的受无序调控的量子相变。
更有意思的是，由于YBCO薄膜的孔洞十分均匀，我们在3种量子基态(超导态、反常金属态与绝缘态)对应的样品中均观测到电阻随磁场的周期性振荡，振荡周期对应于库珀对的量子磁通h/2e(图3(a—c))。在以电子为载流子的体系中，电阻振荡的周期通常对应于h/e。而我们观测到的h/2e周期振荡表明反常金属态的载流子由两个电子组成，即库珀对玻色子，这与传统金属以电子为载流子有显著的区别，说明库珀对在反常金属态的形成过程中起到了重要的作用。通过对量子振荡振幅的进一步分析，我们得到了振荡振幅以及相位相干长度随温度的依赖关系。如图3(d,e)所示，对于超导态多孔薄膜，量子振荡的振幅随着温度降低迅速增加直至发散；对于绝缘态薄膜，振荡振幅随着温度降低先增加后减小；而对于反常金属态薄膜，振荡振幅随温度降低先增加然后在低温下趋于饱和。反常金属态的振荡振幅和相位相干长度在低温下饱和的特征，有望揭示反常金属态的物理本质(如体系的耗散等物理过程)，开启一个全新的研究方向。我们的工作为国际学术界争论了三十多年的二维反常金属态的存在提供了有力的实验证据，为研究反常金属的量子起源提供了新的思路。反常金属(亦有专家称其为玻色金属或量子金属)的证实得到了国际学术界的广泛关注。玻色金属理论的提出者美国伊利诺伊大学Philip W.Phillips教授在Science上以《终获自由：玻色金属“猛兽出笼”》为题发表Perspective文章指出，我们的实验结果使得“学术争议结束，玻色子可以像金属一样存在”[12]。美国科学院院士斯坦福大学Steven A.Kivelson教授在Journal Club for Condensed Matter Physics上发表评论文章高度评价了我们的工作。Kivelson教授指出，反常金属的证实“对量子材料的理解具有基础性的重要意义”[13]。
本文编号：3104858
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3104858.html
