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科学家首次发现并证实玻色子奇异金属

来源:中国科学报    时间:2022-01-14 10:01


电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室主任李言荣院士团队与美国布朗大学教授James M. Valles Jr、北京大学物理学院/量子材料科学中心谢心澄院士等协同攻关,成功突破了费米子体系的限制,首次在玻色子体系中诱导出奇异金属态。相关研究1月12日发表于《自然》。

宇宙中,基本粒子分为费米子与玻色子两种。其中,人类社会目前赖以生存的电子工业与器件发展几乎完全基于费米子体系,但该体系能耗高、损耗大,物理尺寸已近极限,面临性能持续提升的瓶颈,无法满足快速增长的信息传输需求。而以高温超导体为代表的玻色子器件,具有完美的零损耗能量传递特性,有望带来电子信息工业的革命性变化。

奇异金属与普通金属不同,其电阻率与温度成正比,存在于铜基高温超导体中,是一种电子之间高度量子纠缠的新物质状态,其混乱程度趋向于量子力学极限。早在30年前,科学家就发现了费米子奇异金属,但是否存在玻色子奇异金属是长期以来难以攻克的科学难题。

研究团队通过在高温超导钇钡铜氧(YBCO)薄膜中精准构筑纳米网孔阵列,实现了对玻色子相干性、耗散能等物性的跨尺度调控,在量子相变临界区发现了电阻随温度与磁场线性变化的奇异金属态。同时,低于超导临界温度时,体系霍尔电阻急剧减少为零,并且存在与库珀电子对相关的h/2e超导量子磁电阻振荡,证明体系的载流子是玻色子。进一步通过标度分析,发现玻色子奇异金属的电阻由温度与磁场简单的线性相加决定,证明了电阻在量子临界区与体系内在的能量尺度无关,满足标度不变的关系,揭示了玻色子在量子临界区存在奇异的动力学行为;建立了玻色子奇异金属的完备相图;阐释了玻色系统耗散量子相变的物理图像。

针对该项研究,美国科学院院士Chandra M. Varma发表专题评论文章,高度评价玻色子奇异金属的发现是凝聚态物理领域的重大突破。《自然》审稿人评价此工作是引领量子理论发展的变革性成果。同时,《自然》配发评述文章,评价这项工作突破了现有对奇异金属态与无序超导体的认知框架,将推动凝聚态物理学领域向前迈出一大步。

该研究为理解凝聚态物理中奇异金属的物理规律、揭示奇异金属的普适性、完善量子相变理论奠定了科学基础,对揭示耗散效应对玻色子量子相干的定量影响,推动未来低能耗超导量子计算以及极高灵敏量子探测技术的发展具有重要的理论和实际意义。


 
 
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