2019/08/15 信息來源： 量子材料科學中心
編輯：山石 |近期，北京大學量子材料科學中心王健研究組在矽襯底上外延生長了高質量超薄晶態鉛膜，與北京大學謝心澄院士、林熙研究員和北京師範大學劉海文研究員合作在極低溫下觀測到反常量子格裡菲斯奇異性，並給出理論解釋。這一發現揭示了超導漲落與自旋軌道耦合效應對於量子相變的重要影響，揭示出量子格裡菲斯奇異性在二維超導金屬相變中的普適性。
超導-絕緣體與超導-金屬相變是量子相變的經典範例，已有三十餘年的研究歷史。所謂量子相變，是指在絕對零度下系統處於量子基態時隨著參數變化而發生的相變。近年來，隨著薄膜和器件製備工藝的提高，二維晶態超導體系逐漸成為了研究量子相變的理想平臺，得到了國際學術界的廣泛關注。王健研究組與謝心澄院士、馬旭村研究員、林熙研究員、薛其坤院士等合作者在前期二維超導的相關研究中發現了超導-金屬相變中的量子格裡菲斯奇異性【Science 350, 542(2015)】, 並被同期perspective評論文章Science 350, 509 (2015)專題報導。隨後被液態柵極技術發明人東京大學Iwasa教授的綜述文章Nature Reviews Materials 2, 16094 (2016)譽為二維晶態超導中三個最重要的主題之一。量子格裡菲斯奇異性的研究表明，無序可以定性地改變量子相變的臨界行為，其主要特徵是趨於量子臨界點時，二維超導體系的動力學臨界指數發散。
最近，王健研究組通過超高真空分子束外延生長技術在矽襯底上製備出宏觀尺度高質量晶態薄膜，並實現了厚度為亞納米尺度的原子層級可控生長。在此基礎上，王健教授與謝心澄院士、林熙研究員、劉海文研究員等人合作，在4個原子層厚（約1納米）的晶態鉛膜中發現了一種具有反常相邊界的超導-金屬相變，並揭示了其中的反常量子格裡菲斯奇異性。根據平均場理論，超導體的上臨界場會隨著溫度降低而逐漸增加。然而，系統的極低溫實驗表明，4個原子層厚的鉛膜的相邊界在低溫下具有非常新奇的反常特性：隨著溫度降低，鉛膜的上臨界場（onset Bc2）在低溫下也逐漸降低。沿著反常相邊界對鉛膜的磁阻曲線進行標度理論分析發現，在趨近於量子臨界點附近臨界指數隨著磁場減小而迅速增大直至發散，該現象與前期實驗中發現的臨界指數隨著磁場增大而發散的行為不同，故稱為反常量子格裡菲斯奇異性。考慮到這類二維超導體系具有很強的自旋軌道耦合，研究團隊基於超導漲落理論發展了一套新的唯象理論模型，定量地解釋了這一反常相邊界。在自旋軌道耦合與超導漲落效應的共同作用下，超導-金屬相邊界偏離平均場理論而向外突出，並在反常相邊界處呈現出量子格裡菲斯奇異性。這一新奇量子相變的發現，證實了量子格裡菲斯奇異性在不同相邊界的超導-金屬相變中具有普適性，並進一步揭示出自旋軌道耦合與超導漲落效應對於超導-金屬相變的影響，為深入理解二維晶態超導體中的量子相變現象提供了一個新的視角。
圖1 四個原子層厚晶態鉛膜中的反常量子格裡菲斯奇異性：(a) 鉛膜在零磁場下的超導轉變曲線，插圖是輸運測量結構示意圖； (b) 在0到5特斯拉不同外加磁場下鉛膜電阻隨溫度的變化曲線； (c) 鉛膜在低溫下表現出反常相邊界，與超導漲落唯象理論模型一致；(d) 臨界指數隨著磁場減小而迅速增大，直至發散，是反常量子格裡菲斯奇異性的特徵
圖2 反常量子格裡菲斯奇異性相圖示意圖：在自旋軌道耦合和超導漲落的作用下，平均場理論的相邊界（藍色虛線）向外突出形成新的相邊界（紅色實線）；當溫度低於T'時，紅色實線代表反常相邊界；沿著反常相邊界趨於無限隨機量子臨界點Bc*可以觀測到反常量子格裡菲斯奇異性
該工作於2019年8月12日發表於著名學術期刊《自然∙通訊》。(Nature Communications 10, 3633 (2019) DOI: 10.1038/s41467-019-11607-w): https://www.nature.com/articles/s41467-019-11607-w
北京大學王健研究組博雅博士後劉易和研究生王子喬為文章共同第一作者，北京大學王健教授和北京師範大學劉海文研究員是本文的共同通訊作者。其餘作者包括謝心澄院士、林熙研究員，以及王健研究組本科生唐鉞、博士生劉超飛、陳澄、邢穎（已畢業）、博士後王慶豔（已出站）和林熙組博士生閃普甲。
該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、量子物質科學協同創新中心、中科院卓越創新中心、北京市自然科學基金、博士後科學基金、中央高校基本科研基金的支持。