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王健课题组与合作者应邀在《物理进展报告》发表长篇综述文章
发布日期:2023-12-26 作者:王健 浏览次数:
  供稿:王健课题组  |   编辑:孙祎   |   审核:冯济

近日,物理学院量子材料科学中心王健教授课题组与合作者应邀在物理学著名综述期刊《物理进展报告》(Reports on Progress in Physics)上以 “二维超导中的量子相变:近期实验进展综述”(Quantum phase transitions in two-dimensional superconductors: a review on recent experimental progress)为题发表综述文章。该工作总结了二维超导领域的量子相变现象,重点介绍量子格里菲斯奇异性和反常金属态的前沿研究进展。

近年来,王健课题组与合作者在二维超导体系的量子相变与量子基态研究中取得了一系列重要的原创性成果。2015年,在超薄晶态Ga膜的超导-金属相变研究中,王健课题组与合作者发现了一种新的量子相变行为——量子格里菲斯奇异性,其特征是动力学临界指数在趋于相变临界点时发散(Science 350, 542-545 (2015))。这是首次在超导体系和低维体系中观测到量子格里菲斯奇异性,为二维超导体系的量子相变研究带来了新的视角,对超导、磁性材料等量子体系中的临界行为提供了一种普适性诠释。这一工作被同期 《科学》(Science )的视点文章以“无序主导”(Randomness rules)为题进行了重点评述和介绍 (Science 350, 509 (2015))。随后,王健课题组与合作者进一步在不同的二维超导体系中揭示出量子格里菲斯奇异性的普适性(Physical Review Letters 127, 137001 (2021);Nature Communications 10, 3633 (2019);Nano Letters 17, 6802 (2017);Physical Review B 94, 144517 (2016)等),并被二维材料和液态栅极技术国际权威日本东京大学Iwasa 教授以及美国科学院院士、凝聚态物理最高奖Buckley奖获得者Goldman教授等不同实验组进一步证实(Nature Communications 9, 778 (2018);Nature Communications 9, 4656 (2018);Physical Review B 99, 054515 (2019)等)。《自然材料综述》(Nature Reviews Materials)二维超导综述文章中指出量子格里菲斯奇异性已成为二维晶体超导领域的三个重要主题之一(Nature Reviews Materials 2, 16094 (2016))。

2019年,王健课题组与合作者在高温超导纳米多孔薄膜中首次证实了由玻色子主导的二维反常金属态(Science 366, 1505-1509 (2019))。二维体系中是否存在反常金属态是凝聚态物理领域的核心问题。在过去三十年里,实验上在多种二维超导体系中观测到了反常金属态的可能迹象。然而,由于外界高频噪声对实验的干扰,二维反常金属态的实验结果仍受到广泛质疑。反常金属态的直接实验证据是体系的电阻随着温度降低表现出饱和特性,在高温超导YBCO纳米多孔薄膜中,电阻饱和温度高达5 K,相比于传统超导体系提高了1-2个数量级,大大提升了反常金属态的稳定性和实验结果的可信度。此外,高频滤波器极低温对照实验表明,是否添加滤波器对体系电阻在低温下的饱和规律没有明显的作用,有效地排除了外界高频噪声对实验的影响,为反常金属态的存在提供了可靠的实验证据。通过系统的极低温电输运测试,在反常金属态观测到与库珀电子对相关的h/2e周期的超导量子磁通振荡,揭示了库珀对玻色子对反常金属态的形成起到了主导作用。这一工作结束了国际学术界对于玻色反常金属态是否存在长达三十年的学术争议(Science 366, 1450-1451 (2019)),对量子材料的理解具有基础性的重要意义(Steven A. Kivelson, Journal Club for Condensed Matter Physics)。随后,王健课题组与合作者进一步在分子束外延生长的高质量超导薄膜以及过渡族金属硫化物的薄层超导器件中观测到了本征反常金属态的实验证据(Nano Letters 20, 5728-5734 (2020);Nano Letters 21, 7486-7494 (2021)等)。这一系列研究进展表明,反常金属态是二维玻色子体系在超导态和绝缘态之外的第三种量子基态,具有重要的科学意义。

在上述工作的基础上,王健与合作者在《物理进展报告》撰写综述文章,系统阐述了二维超导体系中的量子相变。综述文章首先简要回顾了超导-绝缘体相变和超导-金属相变的研究历史,量子相变的基本概念以及标度分析。随后重点阐述二维超导体系中量子格里菲斯奇异性和反常金属态的前沿研究进展。量子格里菲斯奇异性和反常金属态的实验观测揭示出无序、量子涨落以及耗散在量子相变中的显著作用,进一步加深了对超导等宏观量子态中量子相变的理解。

综述文章由物理学院量子材料科学中心博雅博士后王子乔、中国人民大学物理学系刘易副教授、物理学院量子材料科学中心博士生冀成成和王健合作撰写。王健为文章的通讯作者,王子乔和刘易为文章的共同第一作者。该工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、量子物质科学协同创新中心、中科院卓越创新中心、北京市科协青年人才托举工程、中央高校基本科研基金的支持。

论文链接:https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6633/ad14f3