重大突破！电子科技大学《Nature》：首次发现并证实玻色子奇异金属

颗粒在线讯：1911年，当物理学家昂内斯（Kamerlingh Onnes）用液氦将金属汞的温度降低到4 K（−269.15 °C）以下时，神奇的事情发生了：电阻完全消失了！他发现的正是所谓的超导现象。

到了1933年，迈斯纳（Walther Meissner）和奥克森菲尔德（Robert Ochsenfeld）发现，处于超导态时，超导体内部磁场为零，对磁场完全排斥，这就是超导体的完全抗磁性。

1986年，Georg Bednorz和K. Alex Müller发现，在温度降低到35 K （−238.2 °C）时，陶瓷性金属氧化物LaBaCuO会转变为超导态。他们的发现开启了铜基高温超导体的时代。

近几年来，科学家在某些铜酸盐（cuprate）高温超导材料中发现传导电流的方式与传统的金属（例如铜）截然不同，这为该种材料的昵称——“奇异金属”又增添了新的内涵。在一定温度以上，铜氧陶瓷材料(称为铜氧化物)的电阻与温度成正比增加，达到远高于合理电导极限的值。

这种金属行为不能归因于电子通常相互作用的方式，也不能归因于原子核，几十年来还没有统一的理论，科学家们正在付出巨大的努力，以求得一个严格的理论来解释为什么它会出现在一系列材料中——从铁基超导体到钌基复合物和双层扭曲石墨烯，在这些材料中，每一层都是一个单一的碳原子薄片，每一层都是相对扭曲的。这些固体都有一些奇特的现象，比如高温超导，这使得这些系统中出现“奇异金属”行为更令人好奇。人们很容易认为有什么东西把它们联系在一起。

Figure . 奇异金属

那么，是什么让金属变得奇异呢？物质的常见电子状态ーー普通金属、半导体和绝缘体，都可以用电子作为这种状态的基本构件来描述。当电子在普通金属中相互作用时，它们诱导出随温度平方变化的电阻。但是“奇异金属”是不同的: 除了具有与温度成比例的电阻外，当这些金属受到磁场作用时，这种电阻有时也随磁场强度线性增加。

鉴于此，来自电子科技大学李言荣院士团队的熊杰教授与布朗大学Jim Valles教授发现了准粒子概念不适用的玻色子系统中奇怪金属丰度的意外特征，纳米化YBa2Cu3O7-δ(YBCO)薄膜中的电荷不是由电子携带的，而是由一种更像“波”的实体——库珀对携带的。YBCO薄膜阵列在延长的温度和磁场范围内具有线性温度电阻和线性磁场电阻。

值得注意的是，低于库珀对形成的起始温度，低场磁阻效应振荡的周期取决于超导通量量子h/2e(e，电子电荷;h，普朗克常数)。同时，随着温度的降低，霍尔系数在测量分辨率范围内下降和消失，表明是库珀对而不是单电子主导输运过程。此外，该玻色子系统的特征时间尺度τ遵循一个无内禀能量尺度的尺度不变关系: ħ /τ≈a(kBT+γμBB)，其中ħ是简化的普朗克常数，a为有序度，kB为玻尔兹曼常数，t为温度，μB为玻尔磁子，γ≈2。通过将奇异金属现象学的范围扩展到玻色子系统，该文的结果表明，有一个基本的原则支配着它们的输运，超越了粒子统计学。研究论文以题“Signatures of a strange metal in a bosonic system”发表在最新一期《Nature》上。

T型线性电阻

作者使用反应离子蚀刻（一种原子喷砂处理）在薄膜上钻了一个三角形阵列的纳米尺寸孔，纳米打孔使得这些样品呈现出一个由弱连接连接的六角形超导“岛”阵列（图1）。薄膜的薄度与这些空穴相结合，在系统中引入了无序，而这种无序会抑制超导性——这种材料有时被称为失效的超导体。孔的晶格留下了一系列连接的岛节点，作者表明电阻表现出对温度和磁场强度的线性依赖性。在这样做的过程中，作者表明这种材料可以从失效的超导体转变为一种奇异金属。

图 1. 纳米图案化YBCO薄膜中玻色子异常金属-绝缘体转变附近的线性温度电阻

玻色性质

要理解为什么这一发现扩展了对奇异金属的整体想象，了解更多关于电子在固体中的行为是有帮助的。电子是费米子，以意大利物理学家Enrico Fermi命名，其特征是具有半整数值的自旋（与固有角动量相关）。相比之下，以印度物理学家Satyendra Nath Bose命名的被称为玻色子的粒子具有整数自旋。到目前为止，只有在最初认为电子单独（如费米子）或通过称为纠缠的量子力学特性集体行为的条件下，才观察到奇异金属行为。

作者将材料冷却到刚好高于其超导温度，以观察其电导的变化。他们发现，像费米奇异金属一样，库珀对金属电导与温度呈线性关系。图2表明，在Tc以下，两个主要特征表明在T型和B型电阻区，库珀对运动主导输运。零相对湿度表明输运是粒子-空穴对称的。它与振荡的重叠表明，粒子-空穴对称性反映了库珀对输运的优势。虽然存在磁阻，但T线性电阻在磁场（B>1T）中持续存在，超出了磁阻振荡，如图2a、b所示。在TC以下，磁阻均匀地为正且几乎是线性的，直到测量极限9T（图2c，d）。相比之下，较低RN超导样品的磁阻是非线性的。同时，霍尔系数RH在大多数B线性电阻范围内降至接近零，直至9T（图2e）。

图 2. 垂直磁场下纳米图案化YBCO薄膜的T线性电阻和尺度不变B线性电阻

图 3. 纳米图案化YBCO薄膜中的B-T缩放

相图

随着温度的降低，在临界片电阻RNc≈h/2e2附近，晶粒变窄，在低温下分离出绝缘相和反常金属相。作者把这块白色区域标记为玻色奇异金属，使人联想到费米系统中的奇异金属。

图 4. 纳米图案化YBCO薄膜的相图

总结

关于奇异金属的主要理论描述，就像那些表现出奇异金属行为的材料一样多种多样，有些甚至与黑洞物理学有着令人惊讶的联系，但一个共识模型尚未出现。与潜在的反常金属相的可能联系甚至更具推测性。当温度接近零时，许多无序二维超导体的电阻达到一个恒定的非零值ーー但根据描述非相互作用电子的理论，这种行为是不可能的。这种反常的状态有时被称为玻色金属，尽管二十多年来人们一直试图从理论上和实验上设计出一种玻色金属，但它同样需要一种共识的微观理论。本文的工作提供了一个有趣的视角，可以把两个前沿领域——奇异金属和无序超导体——结合起来，它们的集体描述将代表凝聚态物理学向前迈进了一大步。