络绎精选论文 | 中国科学家首次发现并证实玻色子奇异金属

宇宙中的基本粒子可分为费米子与玻色子两种。早在三十年前，科学家们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悬而未决的难题。

近日，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限制，首次在高温超导体中发现并证实了玻色子奇异金属，攻克了上述科学难题，相关论文《玻色子体系中的奇异金属态》(Signatures of a strange metal in a bosonic system）于 1 月 12 日发表在国际期刊 Nature 上。

这一发现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重要的科学基础；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均具有重要的理论和实际意义。

论文基本信息

通讯作者：

李言荣，中国工程院院士，电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室主任

论文标题：Signatures of a strange metal in a bosonic system

领域方向：凝聚态物理学

来源期刊：Nature

DOI：10.1038/s41586-021-04239-y

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04239-y#citeas

发表时间：2022-1-12

期刊影响因子：49.962

JCR分区：Q1

论文称，究团队在高温超导体中发现并证实了玻色子奇异金属。那么，奇异金属具体是什么呢？顾名思义，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，超越了费米液体理论的框架，是一种电子之间高度量子纠缠的新物质状态。

一直以来，奇异金属的研究大多在薄膜或块体材料中，并且通常需要很强的磁场来抑制掉超导态，受此限制奇异金属仅局限于费米子体系。

图 | 纳米蜂窝结构调制的高温超导薄膜中的玻色子奇异金属物理图像的示意图。蓝色气泡代表了库珀对，箭头代表了库珀对的相位，海浪代表着超导涨落（来源：Nature ）

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，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。

研究团队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霍尔电阻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。

玻色子奇异金属的发现，为揭示耗散效应对玻色子量子相干的定量影响提供了很好的研究平台，因此有着基础性的意义。同时，这使得人们有机会进一步地去研究奇异金属的物理本质，有可能成为推动下一代低功耗计算器件以及极高灵敏度的量子探测器件的关键。

未来怎么进一步推动玻色子奇异金属研究？研究团队表示，“物理方面，我们计划通过进一步的实验手段来研究玻色子奇异金属，包括强磁场下输运测量，热输运测量，光电导测量等，有望观测到玻色子奇异金属中的更有意思的物理现象。应用方面，我们一直也在致力于开展基于玻色金属态的高温超导单光子探测器件的制备，有望能够实现轻质小型、高灵敏高温超导单光子探测原型器件，希望能应用到国防装备系统、量子通信、航空航天等领域。”

参考：