宇宙中的基本粒子可分為費米子與玻色子兩種。早在三十年前，科學家們就發現了費米子奇異金屬，但是否存在玻色子奇異金屬是長期以來懸而未決的難題。
近日，電子科技大學電子薄膜與內建器件國家重點實驗室主任李言榮院士團隊與美國布朗大學教授 James M. Valles Jr、北京大學實體學院/量子材料科學中心謝心澄院士等協同攻關，成功突破了費米子體系限制，首次在高溫超導體中發現并證明了玻色子奇異金屬，攻克了上述科學難題，相關論文《玻色子體系中的奇異金屬态》(Signatures of a strange metal in a bosonic system）于 1 月 12 日發表在國際期刊 Nature 上。
這一發現為了解凝聚态實體中奇異金屬的實體規律，揭示奇異金屬的普适性，完善量子相變理論奠定了重要的科學基礎；對揭示耗散效應對玻色子量子相幹的定量影響，推動未來低能耗超導量子計算以及極高靈敏量子探測技術的發展均具有重要的理論和實際意義。
論文基本資訊
通訊作者：
李言榮，中國工程院院士，電子科技大學電子薄膜與內建器件國家重點實驗室主任
論文标題：Signatures of a strange metal in a bosonic system
領域方向：凝聚态實體學
來源期刊：Nature
DOI：10.1038/s41586-021-04239-y
原文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04239-y#citeas
發表時間：2022-1-12
期刊影響因子：49.962
JCR分區：Q1
論文稱，究團隊在高溫超導體中發現并證明了玻色子奇異金屬。那麼，奇異金屬具體是什麼呢？顧名思義，奇異金屬與普通金屬不同，其電阻率與溫度成正比，存在于銅基高溫超導體中，超越了費米液體理論的架構，是一種電子之間高度量子糾纏的新物質狀态。
一直以來，奇異金屬的研究大多在薄膜或塊體材料中，并且通常需要很強的磁場來抑制掉超導态，受此限制奇異金屬僅局限于費米子體系。
圖 | 納米蜂窩結構調制的高溫超導薄膜中的玻色子奇異金屬實體圖像的示意圖。藍色氣泡代表了庫珀對，箭頭代表了庫珀對的相位，海浪代表着超導漲落（來源：Nature ）
研究團隊通過在高溫超導钇鋇銅氧（YBCO）薄膜中精準構築納米網孔陣列，實作了對玻色子相幹性、耗散能等物性的跨尺度調控，在量子相變臨界區發現了電阻随溫度與磁場線性變化的奇異金屬态。同時，低于超導臨界溫度時，霍爾電阻急劇減少為零，并且存在與庫珀電子對相關的 h/2e 超導量子磁電阻振蕩，證明體系的載流子是玻色子。
研究團隊進一步通過标度分析，發現玻色子奇異金屬的電阻由溫度與磁場簡單的線性相加決定，證明了電阻在量子臨界區與霍爾電阻内在的能量尺度無關，滿足标度不變的關系，揭示了玻色子在量子臨界區存在奇異的動力學行為；建立了玻色子奇異金屬的完備相圖；闡釋了玻色系統耗散量子相變的實體圖像。
玻色子奇異金屬的發現，為揭示耗散效應對玻色子量子相幹的定量影響提供了很好的研究平台，是以有着基礎性的意義。同時，這使得人們有機會進一步地去研究奇異金屬的實體本質，有可能成為推動下一代低功耗電腦件以及極高靈敏度的量子探測器件的關鍵。
未來怎麼進一步推動玻色子奇異金屬研究？研究團隊表示，“實體方面，我們計劃通過進一步的實驗手段來研究玻色子奇異金屬，包括強磁場下輸運測量，熱輸運測量，光電導測量等，有望觀測到玻色子奇異金屬中的更有意思的實體現象。應用方面，我們一直也在緻力于開展基于玻色金屬态的高溫超導單光子探測器件的制備，有望能夠實作輕質小型、高靈敏高溫超導單光子探測原型器件，希望能應用到國防裝備系統、量子通信、航空航天等領域。”
參考：