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2022年1月12日，國際著名期刊《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家重點實驗室李言榮院士團隊為主完成的，博士生楊超為第一作者，熊杰教授為第一通訊作者。這是該團隊繼2019年在《Science》上首次報道實驗發(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)。

國際著名理論物理學(xué)家、美國科學(xué)院院士Chandra M. Varma發(fā)表專題評論文章，高度評價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審稿人評價此工作是引領(lǐng)量子理論發(fā)展的transformative變革性成果。同時，Nature配發(fā)專題亮點評述文章，評價這項工作突破了現(xiàn)有對奇異金屬態(tài)與無序超導(dǎo)體的認(rèn)知框架，將推動凝聚態(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)，對揭示耗散效應(yīng)對玻色子量子相干的定量影響，推動未來低能耗超導(dǎo)量子計算以及極高靈敏量子探測技術(shù)的發(fā)展具有重要的理論和實際意義。

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

（a）輸運特性曲線，（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米子與玻色子兩種。其中，人類社會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)提升的瓶頸問題，無法滿足快速增長的信息傳輸需求。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)了費米子奇異金屬，但是否存在玻色子奇異金屬是長期以來難以攻克的科學(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)。研究團隊通過在高溫超導(dǎo)釔鋇銅氧（YBCO）薄膜中精準(zhǔn)構(gòu)筑納米網(wǎng)孔陣列，實現(xiàn)了對玻色子相干性、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線性變化的奇異金屬態(tài)。同時，低于超導(dǎo)臨界溫度時，體系霍爾電阻急劇減少為零，并且存在與庫珀電子對相關(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簡單的線性相加決定，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家重點實驗室博士生楊超（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)是在我校國家重點實驗室做出的原創(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。自高溫超導(dǎo)發(fā)現(xiàn)以來，二維量子金屬態(tài)的存在及其形成機制是三十多年來國際學(xué)術(shù)界一直懸而未決的重要物理問題。電子科技大學(xué)張萬里、熊杰研究團隊與北京大學(xué)王健教授團隊、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了量子金屬態(tài)的存在。通過調(diào)節(jié)反應(yīng)離子刻蝕的時間，在高溫超導(dǎo)釔鋇銅氧（YBCO）多孔薄膜中實現(xiàn)了超導(dǎo)—量子金屬—絕緣體相變。通過極低溫輸運測試發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)、金屬與絕緣這三個量子態(tài)都有與庫珀電子對相關(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)，揭示出庫珀對玻色子對于量子金屬態(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：電阻溫度輸運曲線；圖F：量子磁導(dǎo)振蕩曲線

該工作得到了美國科學(xué)院院士、斯坦福大學(xué)Steven A. Kivelson教授的高度評價，評論文章發(fā)表在凝聚態(tài)物理雜志俱樂部上。Steven教授指出：“對于量子金屬起源的探索將會改變我們對量子材料的認(rèn)識，將極大推動量子器件領(lǐng)域的發(fā)展”。這一發(fā)現(xiàn)為國際上爭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”開始，在李言榮院士的帶領(lǐng)下，張萬里教授團隊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等國際著名期刊發(fā)表系列創(chuàng)新性研究成果，牽頭獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎，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。量子相變與傳統(tǒng)的熱力學(xué)相變不同，是在絕對零度下調(diào)節(jié)非熱力學(xué)參量（如磁場、摻雜、壓強、無序度等）而發(fā)生的相變，相變點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年美國凝聚態(tài)物理最高獎巴克利獎。在二維超導(dǎo)的量子相變過程中，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)一直是理論與實驗上爭論的焦點。根據(jù)安德森標(biāo)度理論，由于量子干涉效應(yīng)以及相位相干長度在零溫下發(fā)散的特性，載流子在趨于絕對零度時會表現(xiàn)出局域化效應(yīng)，因此理論上不存在二維量子金屬態(tài)。盡管實驗上在各種二維超導(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)的存在及其形成機制仍存在著巨大的爭議，是三十多年來國際學(xué)術(shù)界一直懸而未決的重要物理問題。

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