Nature：在高温超导体中，玻色子奇异金属的发现

一、研究背景

传统的金属输运理论预测，由于电子-电子散射的主导作用，低温下的电阻率ρ(T)应该作为T2的函数而变化。然而，这种共识在解释最近的一些发现时遇到了巨大的概念挑战。一种是在高温超导体发现后不久出现的，其形式是在非常宽的温度范围内，它们的正常状态电阻率与温度成线性关系。被称为凝聚态物理的中心法则之一，这种不寻常的电阻率与温度的关系结构和其他异常性质标志着铜酸盐相图中的准粒子图像的崩溃，现在被称为奇怪的金属相。有趣的是，这种相不仅局限于铜酸盐，还存在于许多其他强关联电子材料中，如重费米子金属、双环烷和扭曲双层石墨烯。值得注意的是，在强关联系统中与反铁磁涨落相关的量子临界区附近，电阻斜率似乎受到上限αF h/2e2 1/TF的约束，其中TF是费米温度。这个束缚对应于费米子奇异金属中所谓的普朗克耗散极限，由于其超越凝聚态系统的潜在扩展，最近受到了相当大的关注。

对传统金属输运图像的另一个挑战出现在超导系统中，表现为反常金属态。它的特征是在各种准二维超导材料中接近零温度的饱和剩余电阻率。在这些反常金属中，库珀电子对而不是单电子是主要的电荷载体。描述低温区而非高温区的玻色子输运自然包括集体激发，这与准粒子图像形成鲜明对比。有趣的是，费米子奇异金属的高散射率表明集体效应必须包括在内。所以奇怪的金属也可能不局限于费米系统。

二、研究成果

费米液体理论构成了我们理解大多数金属的基础:它们的电阻率来自于定义明确的准粒子以一定速率散射，在低温极限下，特征时间尺度的倒数与温度的平方成正比。然而，各种量子材料——特别是高温超导体，表现出奇怪的金属行为，在温度中具有线性散射率，偏离了这个中心范式。在这里，电子科技大学熊杰教授、李言荣院士课题组和美国布朗大学James M. Valles Jr等研究人员报道了玻色子系统中奇怪金属丰度的意外特征，而准粒子的概念并不适用。纳米图案化YBCO(YBa2Cu3O7 δ)薄膜阵列揭示了在扩展的温度和磁场范围内的线性温度和线性磁场电阻。

值得注意的是，在库珀对形成的起始温度以下，低场磁阻以超导通量量子h/2e (e，电子电荷；h，普朗克常数)。同时，霍尔系数在测量分辨率内随着温度的降低而下降和消失，这表明库珀对而不是单电子主导了传输过程。此外，这个玻色子系统中的特征时标τ遵循一个没有本征能量标度的标度不变关系:ħ/τ a(kBT + γμBB)，其中ħ是约化的普朗克常数，a是阶单位，kB是玻尔兹曼常数，t是温度，μB是玻尔磁子，γ 2。通过将奇异金属现象学的范围扩展到玻色子系统，研究结果表明，有一个超越粒子统计的基本原则支配着它们的传输。

相关研究工作以“Signatures of a strange metal in a bosonic system”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。祝贺电子科技大学！

熊杰，教授，博导，国家优秀青年科学基金、四川省杰出青年基金获得者，四川省学术和技术带头人，教育部新世纪优秀人才。低维功能材料与量子器件研究所所长。1979年7月出生于四川大竹，2002年7月电子科技大学应用化学本科毕业，2007年6月获电子科技大学材料物理化学专业博士学位，同年6月留电子科技大学微电子与固体电子学院工作。2009年5月-2011年5月在美国Los Alamos国家实验室从事博士后研究。现为美国材料研究协会（MRS），美国真空协会（AVS），美国物理学会（APS），IEEE会员，中国真空学会高级会员，中国电子学会高级会员，四川省科协科青联会理事。

长期从事低维功能材料的教学、科研和人才培养工作，发表SCI论文170篇，被SCI 他引3000多次，其中以第一作者或通讯作者在Science, Nature Chemistry, Nature Communications, Physical Review Letters, Advanced Materials，Joule, Nano Letters等发表110篇；先后负责包括国家自然科学基金、国家863项目、青年973项目、军科委、总装预研等20余项科研项目；申请国家发明专利50项（授权26项）；出版专著/教材（章节）5本，在国际国内学术会议和学术机构上作报告30余次(邀请报告15次)。

三、图文速递

图1. 纳米图案YBCO薄膜中金属绝缘体玻色子异常跃迁附近的温度线性电阻

图2. 垂直磁场下纳米图案YBCO薄膜的T线性电阻和尺度不变B线性电阻

在这里，作者打破现有的模式，即奇怪的金属状态是费米子系统的专有，研究表明这种不寻常的线性在玻色子宿主中会出现抗性行为。在库珀对形成的温度以下，纳米图案化的YBCO薄膜表现出T线性电阻、h/2e磁阻振荡和零霍尔系数RH，表明当前系统是一种奇特的金属，玻色子主导其输运。在超导体-异常金属转变的量子临界区附近，当前YBCO奇异金属的T-线性电阻αcp的斜率与h/2e2 1/TConset(TConset，库珀对形成的起始温度)相当。这类似于费米子体系的αF h/2e2 1/TF。此外，磁电阻呈线性，斜率βcp近似于h/2e2 1/B*(B*为特征磁场)。有趣的是，斜率之比αcp/βcp似乎仅由基本常数2μB/kB决定，这表明缺乏系统的内在能量尺度，因此缺乏尺度不变行为。这项研究扩展了奇异金属态的可能量子空间，并推进了对基础物理的理论理解。

目前的研究是在一系列高温超导YBCO薄膜上进行的，这些薄膜是由原始YBCO薄膜通过反应离子刻蚀(RIE)通过具有三角形孔阵列的纳米多孔掩模形成图案的。纳米图案化使这些样品具有由弱连接连接的六边形超导“岛”阵列(图1b)。增加刻蚀剂量可以通过在孔中诱导更多的侧壁损伤来增加正常状态电阻RN，从而使阵列节点之间的链接更具电阻性。

图3. 纳米图案YBCO薄膜中的B-T关系

图4. 纳米图案YBCO薄膜的相图

目前的工作揭示了一种独特的低温玻色子金属输运行为，它不同于先前超导体-绝缘体转变的玻色子局域化范式，在该范式中，金属行为在类似调谐参数的磁场或正常态电阻的临界点出现临界电阻RQ。类似于反常金属状态，这种奇怪的金属状态存在于一系列调谐参数中，剩余电阻远低于RQ。区分这种玻色子输运行为的主要特征是:(1)电阻随温度线性变化，其斜率类似于电阻量子与表征电荷载流子基态的能量标度之比；(2)如图3中的数据崩溃所暗示的随磁场线性变化的磁阻；以及(3)这些行为在扇形区域中的出现，该扇形区域似乎终止于图4中相图中的量子临界点。

四、结论与展望

作者最后指出，值得进一步探索可以解释实验观察的其他场景，例如纳米图案化YBCO薄膜中的不均匀性是否有作用。使用最先进的纳米印刷技术制造具有更大周期性的纳米图案化YBCO薄膜可以更好地接近玻色子金属态及其基础物理。此外，未来对依赖于频率的电导率的测量表明，有希望直接洞察该系统的动力学，这可能揭示这些线性传输现象的起源。Drude德鲁伊宽度的测量将特别有趣，因为它被提出在适用于包括冷原子、固态材料和夸克胶子等离子体在内的许多形式的物质的模型中与熵成比例。此外，由于耗散诱导退相干过程在量子计算中很重要，这项结果为进一步研究耗散奇异金属态的微观起源提供了平台。

五、文献链接

官网链接：

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

文献原文：

关注公众号『材料十』，后台回复“金属”，即可获取文献原文。