《自然-物理》:超導體中量子臨界點附近的量子漲落的新證據

2020-12-03 量子認知

在今天剛剛出版的《自然-物理》上的一篇重要論文的研究結果，表明了超導體中量子臨界點附近的量子漲落的新證據。

論文第一、第二作者與通訊作者，分別為在史丹福大學和英國鑽石源實驗室從事研究的中國學者。

在可能存在於量子材料中的所有奇特的物質狀態中，隨著溫度、電子密度和其它因素的變化而變得交織在一起，一些科學家認為，在一個特殊的因素交叉處，存在一個特別奇怪的並置，稱為量子臨界點（quantum critical point，縮寫：QCP） 。

如下圖所示，就像黑洞（右下圖）是空間中的奇點一樣，量子臨界點是量子材料的不同狀態之間的點狀交叉點，在該狀態下，預計會發生各種奇怪的電子行為。該研究結果發現了此類行為的有力證據：當銅酸鹽超導體在低溫下朝超導狀態調諧到量子臨界點時，量子漲落的擴散逐漸融化了電荷條帶（從左上方開始），體現材料中強弱電子密度交替的條帶。

史丹福大學材料與能源科學研究所（SIMES）研究人員、李維生（Wei-Sheng Lee）表示：「量子臨界點是一個非常熱門的問題，對許多領域也很有趣。」 「有些人認為它們甚至是黑洞，從某種意義上來說，它們是奇異的：量子材料中物質不同狀態之間的點狀交界，當你接近它們時，你會得到各種非常奇怪的電子行為。 」

李博士表示，他們已經找到了強有力的證據證明存在量子臨界點及其相關波動。他們使用了一種稱為共振非彈性X射線散射（RIXS）的技術來探測氧化銅材料（或銅酸鹽）的電子行為，該材料在相對較高的溫度下以最佳效率導電。

這些所謂的高溫超導體是一個目前熱門的研究領域，因為它們可能導致能源的零消耗傳輸、節能運輸系統和其它未來技術，儘管沒人知道高溫超導背後的微觀機制，銅酸鹽中是否存在量子臨界點也是一個備受爭議的問題。

在英國的鑽石光源實驗室進行的實驗中，研究小組將銅酸鹽冷卻至90開爾文（183攝氏度）以下的溫度，使其變得超導。他們將注意力集中在所謂的電荷順序上，在材料中交替排列的條紋，其中電子及其負電荷更密集或更稀疏。

科學家用X射線激發了銅酸鹽，並測量了散射到共振非彈性X射線散射檢測器中的X射線光。這使他們能夠繪製出激發如何以材料的原子晶格中微妙的振動或聲子的形式傳播通過材料，這很難測量並且需要非常高解析度的工具。

同時，X射線和聲子可以激發電荷階條紋中的電子，從而引起條紋波動。由於共振非彈性X射線散射獲得的數據反映了電荷條紋的行為與聲子的行為之間的耦合，因此觀察聲子也使研究人員也可以測量電荷階條紋的行為。

科學家希望看到的是，當電荷序條變得越來越弱時，其激勵也會消失。李博士說：「但是我們觀察到的結果很奇怪。」 「我們看到，在超導狀態下電荷階次變弱時，電荷階次激發變強。這是一個悖論，因為它們應該並駕齊驅，這就是人們在其它電荷階次系統中所發現的。」

他補充說：「據我所知，這是關於電荷順序的第一個實驗，表明了這種行為。有人認為，這是系統靠近量子臨界點時發生的情況，其中量子漲落變得如此強烈，以至於熔化了電荷順序就像加熱冰會增加其剛性原子晶格中的熱振動並將其融化成水。不同之處在於，量子融解原則上是在零溫度下發生的。」 在這種情況下，用共振非彈性X射線散射看到的出乎意料的強電荷序激發，就是那些量子漲落的表現。

李博士表示，研究小組現在正在更寬的溫度範圍和不同的摻雜水平下研究這些現象，其中添加了化合物以改變材料中自由移動的電子的密度，以了解它們是否可以精確地確定量子臨界點重點可能在這種材料中。

史丹福大學材料與能源科學研究所理論物理學家，該論文研究主導、Thomas Devereaux指出，物質的許多階段都可以與銅酸鹽和其它量子材料交織在一起。

他說：「超導狀態、磁狀態、電荷序帶等都糾纏在一起，可以同時出現在所有狀態中。」 「但是我們陷入了傳統的思維方式，認為它們必須是一種或另一種方式。」

他表示：「我們的研究產生了影響，李博士現正努力對其進行詳細的測量，以期觀察看看將要發生的情況如何。」

參考：W. S. Lee et al. Spectroscopic fingerprint of charge order melting driven by quantum fluctuations in a cuprate, Nature Physics (2020). DOI: 10.1038/s41567-020-0993-7

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