顆粒在線(xiàn)訊：1911年，當(dāng)物理學(xué)家昂內(nèi)斯（Kamerlingh Onnes）用液氦將金屬汞的溫度降低到4 K（?269.15 °C）以下時(shí)，神奇的事情發(fā)生了：電阻完全消失了！他發(fā)現(xiàn)的正是所謂的超導(dǎo)現(xiàn)象。

到了1933年，邁斯納（Walther Meissner）和奧克森菲爾德（Robert Ochsenfeld）發(fā)現(xiàn)，處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，超導(dǎo)體內(nèi)部磁場(chǎng)為零，對(duì)磁場(chǎng)完全排斥，這就是超導(dǎo)體的完全抗磁性。

1986年，Georg Bednorz和K. Alex Müller發(fā)現(xiàn)，在溫度降低到35 K （?238.2 °C）時(shí)，陶瓷性金屬氧化物L(fēng)aBaCuO會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)。他們的發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟了銅基高溫超導(dǎo)體的時(shí)代。

近幾年來(lái)，科學(xué)家在某些銅酸鹽（cuprate）高溫超導(dǎo)材料中發(fā)現(xiàn)傳導(dǎo)電流的方式與傳統(tǒng)的金屬（例如銅）截然不同，這為該種材料的昵稱(chēng)——“奇異金屬”又增添了新的內(nèi)涵。在一定溫度以上，銅氧陶瓷材料(稱(chēng)為銅氧化物)的電阻與溫度成正比增加，達(dá)到遠(yuǎn)高于合理電導(dǎo)極限的值。

這種金屬行為不能歸因于電子通常相互作用的方式，也不能歸因于原子核，幾十年來(lái)還沒(méi)有統(tǒng)一的理論，科學(xué)家們正在付出巨大的努力，以求得一個(gè)嚴(yán)格的理論來(lái)解釋為什么它會(huì)出現(xiàn)在一系列材料中——從鐵基超導(dǎo)體到釕基復(fù)合物和雙層扭曲石墨烯，在這些材料中，每一層都是一個(gè)單一的碳原子薄片，每一層都是相對(duì)扭曲的。這些固體都有一些奇特的現(xiàn)象，比如高溫超導(dǎo)，這使得這些系統(tǒng)中出現(xiàn)“奇異金屬”行為更令人好奇。人們很容易認(rèn)為有什么東西把它們聯(lián)系在一起。

Figure . 奇異金屬

那么，是什么讓金屬變得奇異呢？物質(zhì)的常見(jiàn)電子狀態(tài)ーー普通金屬、半導(dǎo)體和絕緣體，都可以用電子作為這種狀態(tài)的基本構(gòu)件來(lái)描述。當(dāng)電子在普通金屬中相互作用時(shí)，它們誘導(dǎo)出隨溫度平方變化的電阻。但是“奇異金屬”是不同的: 除了具有與溫度成比例的電阻外，當(dāng)這些金屬受到磁場(chǎng)作用時(shí)，這種電阻有時(shí)也隨磁場(chǎng)強(qiáng)度線(xiàn)性增加。

鑒于此，來(lái)自電子科技大學(xué)李言榮院士團(tuán)隊(duì)的熊杰教授與布朗大學(xué)Jim Valles教授發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)粒子概念不適用的玻色子系統(tǒng)中奇怪金屬豐度的意外特征，納米化YBa2Cu3O7-δ(YBCO)薄膜中的電荷不是由電子攜帶的，而是由一種更像“波”的實(shí)體——庫(kù)珀對(duì)攜帶的。YBCO薄膜陣列在延長(zhǎng)的溫度和磁場(chǎng)范圍內(nèi)具有線(xiàn)性溫度電阻和線(xiàn)性磁場(chǎng)電阻。

值得注意的是，低于庫(kù)珀對(duì)形成的起始溫度，低場(chǎng)磁阻效應(yīng)振蕩的周期取決于超導(dǎo)通量量子h/2e(e，電子電荷;h，普朗克常數(shù))。同時(shí)，隨著溫度的降低，霍爾系數(shù)在測(cè)量分辨率范圍內(nèi)下降和消失，表明是庫(kù)珀對(duì)而不是單電子主導(dǎo)輸運(yùn)過(guò)程。此外，該玻色子系統(tǒng)的特征時(shí)間尺度τ遵循一個(gè)無(wú)內(nèi)稟能量尺度的尺度不變關(guān)系: ? /τ≈a(kBT+γμBB)，其中?是簡(jiǎn)化的普朗克常數(shù)，a為有序度，kB為玻爾茲曼常數(shù)，t為溫度，μB為玻爾磁子，γ≈2。通過(guò)將奇異金屬現(xiàn)象學(xué)的范圍擴(kuò)展到玻色子系統(tǒng)，該文的結(jié)果表明，有一個(gè)基本的原則支配著它們的輸運(yùn)，超越了粒子統(tǒng)計(jì)學(xué)。研究論文以題“Signatures of a strange metal in a bosonic system”發(fā)表在最新一期《Nature》上。

T型線(xiàn)性電阻

作者使用反應(yīng)離子蝕刻（一種原子噴砂處理）在薄膜上鉆了一個(gè)三角形陣列的納米尺寸孔，納米打孔使得這些樣品呈現(xiàn)出一個(gè)由弱連接連接的六角形超導(dǎo)“島”陣列（圖1）。薄膜的薄度與這些空穴相結(jié)合，在系統(tǒng)中引入了無(wú)序，而這種無(wú)序會(huì)抑制超導(dǎo)性——這種材料有時(shí)被稱(chēng)為失效的超導(dǎo)體?？椎木Ц窳粝铝艘幌盗羞B接的島節(jié)點(diǎn)，作者表明電阻表現(xiàn)出對(duì)溫度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的線(xiàn)性依賴(lài)性。在這樣做的過(guò)程中，作者表明這種材料可以從失效的超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N奇異金屬。

圖 1. 納米圖案化YBCO薄膜中玻色子異常金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變附近的線(xiàn)性溫度電阻

玻色性質(zhì)

要理解為什么這一發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展了對(duì)奇異金屬的整體想象，了解更多關(guān)于電子在固體中的行為是有幫助的。電子是費(fèi)米子，以意大利物理學(xué)家Enrico Fermi命名，其特征是具有半整數(shù)值的自旋（與固有角動(dòng)量相關(guān)）。相比之下，以印度物理學(xué)家Satyendra Nath Bose命名的被稱(chēng)為玻色子的粒子具有整數(shù)自旋。到目前為止，只有在最初認(rèn)為電子單獨(dú)（如費(fèi)米子）或通過(guò)稱(chēng)為糾纏的量子力學(xué)特性集體行為的條件下，才觀(guān)察到奇異金屬行為。

作者將材料冷卻到剛好高于其超導(dǎo)溫度，以觀(guān)察其電導(dǎo)的變化。他們發(fā)現(xiàn)，像費(fèi)米奇異金屬一樣，庫(kù)珀對(duì)金屬電導(dǎo)與溫度呈線(xiàn)性關(guān)系。圖2表明，在Tc以下，兩個(gè)主要特征表明在T型和B型電阻區(qū)，庫(kù)珀對(duì)運(yùn)動(dòng)主導(dǎo)輸運(yùn)。零相對(duì)濕度表明輸運(yùn)是粒子-空穴對(duì)稱(chēng)的。它與振蕩的重疊表明，粒子-空穴對(duì)稱(chēng)性反映了庫(kù)珀對(duì)輸運(yùn)的優(yōu)勢(shì)。雖然存在磁阻，但T線(xiàn)性電阻在磁場(chǎng)（B>1T）中持續(xù)存在，超出了磁阻振蕩，如圖2a、b所示。在TC以下，磁阻均勻地為正且?guī)缀跏蔷€(xiàn)性的，直到測(cè)量極限9T（圖2c，d）。相比之下，較低RN超導(dǎo)樣品的磁阻是非線(xiàn)性的。同時(shí)，霍爾系數(shù)RH在大多數(shù)B線(xiàn)性電阻范圍內(nèi)降至接近零，直至9T（圖2e）。

圖 2. 垂直磁場(chǎng)下納米圖案化YBCO薄膜的T線(xiàn)性電阻和尺度不變B線(xiàn)性電阻

圖 3. 納米圖案化YBCO薄膜中的B-T縮放

相圖

隨著溫度的降低，在臨界片電阻RNc≈h/2e2附近，晶粒變窄，在低溫下分離出絕緣相和反常金屬相。作者把這塊白色區(qū)域標(biāo)記為玻色奇異金屬，使人聯(lián)想到費(fèi)米系統(tǒng)中的奇異金屬。

圖 4. 納米圖案化YBCO薄膜的相圖

總結(jié)

關(guān)于奇異金屬的主要理論描述，就像那些表現(xiàn)出奇異金屬行為的材料一樣多種多樣，有些甚至與黑洞物理學(xué)有著令人驚訝的聯(lián)系，但一個(gè)共識(shí)模型尚未出現(xiàn)。與潛在的反常金屬相的可能聯(lián)系甚至更具推測(cè)性。當(dāng)溫度接近零時(shí)，許多無(wú)序二維超導(dǎo)體的電阻達(dá)到一個(gè)恒定的非零值ーー但根據(jù)描述非相互作用電子的理論，這種行為是不可能的。這種反常的狀態(tài)有時(shí)被稱(chēng)為玻色金屬，盡管二十多年來(lái)人們一直試圖從理論上和實(shí)驗(yàn)上設(shè)計(jì)出一種玻色金屬，但它同樣需要一種共識(shí)的微觀(guān)理論。本文的工作提供了一個(gè)有趣的視角，可以把兩個(gè)前沿領(lǐng)域——奇異金屬和無(wú)序超導(dǎo)體——結(jié)合起來(lái)，它們的集體描述將代表凝聚態(tài)物理學(xué)向前邁進(jìn)了一大步。