發(fā)現(xiàn)|《自然》雜志：這個(gè)中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)讓物理學(xué)研究邁進(jìn)一大步

封面新聞采訪人員張崢動(dòng)畫制作羅彬月徐英蔓盧家麗
2022年1月12日，國(guó)際著名期刊《Nature》發(fā)表了電子科大李言榮院士團(tuán)隊(duì)為主完成的《玻色子體系中的奇異金屬態(tài)》研究論文，首次在高溫超導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了玻色子奇異金屬。該發(fā)現(xiàn)是量子科技領(lǐng)域取得的又一重大發(fā)現(xiàn)，有可能成為推動(dòng)下一代低功耗計(jì)算器件以及極高靈敏度的量子探測(cè)器件的關(guān)鍵。

文章插圖

nature網(wǎng)站截圖
《Nature》配發(fā)的專題亮點(diǎn)評(píng)述文章認(rèn)為，這項(xiàng)工作突破了現(xiàn)有對(duì)奇異金屬態(tài)與無(wú)序超導(dǎo)體的認(rèn)知框架，將推動(dòng)凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域向前邁出一大步。
什么是玻色子奇異金屬？玻色子奇異金屬態(tài)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，在未來(lái)將有哪些應(yīng)用場(chǎng)景？日前，封面新聞采訪人員專訪了李言榮院士團(tuán)隊(duì)。

科普

玻色子奇異金屬

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4K（?269.15°C）以下時(shí)，神奇的事情發(fā)生了：電阻完全消失了！電流可以在超導(dǎo)體中無(wú)損耗的輸運(yùn)，他發(fā)現(xiàn)的正是所謂的超導(dǎo)現(xiàn)象。1986年，Georg Bednorz和K.Alex Müller發(fā)現(xiàn)，在溫度降低到35K（?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)開啟了銅基高溫超導(dǎo)體的時(shí)代，并且在銅基高溫超導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)了奇異金屬。
奇異金屬，顧名思義，與普通金屬不同，其電阻率與溫度成正比，存在于銅基高溫超導(dǎo)體中，超越了費(fèi)米液體理論的框架，是一種電子之間高度量子糾纏的新物質(zhì)狀態(tài)。“可以想象奇異金屬為高度糾纏的量子粘滯流體，由于電子處于最大糾纏的狀態(tài)，還沒(méi)有來(lái)得及表現(xiàn)準(zhǔn)粒子的特性就‘淹沒(méi)’在了體系中。”李言榮院士說(shuō)。
【 發(fā)現(xiàn)|《自然》雜志：這個(gè)中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)讓物理學(xué)研究邁進(jìn)一大步】

發(fā)現(xiàn)|《自然》雜志：這個(gè)中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)讓物理學(xué)研究邁進(jìn)一大步

文章插圖

左圖是可以用朗道費(fèi)米液體理論描述的普通金屬。右圖是費(fèi)米子的奇異金屬，由于電子之間高度糾纏，難以用準(zhǔn)粒子的圖像描述。（圖片來(lái)源哈佛大學(xué)教授Subir Sachdev的講座）

文章插圖

納米蜂窩結(jié)構(gòu)調(diào)制的高溫超導(dǎo)薄膜中的玻色子奇異金屬物理圖像的示意圖。藍(lán)色氣泡代表了庫(kù)珀對(duì)，箭頭代表了庫(kù)珀對(duì)的相位，海浪代表著超導(dǎo)漲落。
什么是玻色子奇異金屬？宇宙中的基本粒子可分為費(fèi)米子與玻色子兩種。早在三十年前，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)了費(fèi)米子奇異金屬，但是否存在玻色子奇異金屬是長(zhǎng)期以來(lái)難以攻克的科學(xué)難題。“受到材料結(jié)構(gòu)的限制，以往的奇異金屬態(tài)的所有研究?jī)H僅局限于費(fèi)米子體系。”李言榮院士團(tuán)隊(duì)成員之一、電子科大熊杰教授解釋說(shuō)：“之前的奇異金屬的研究大多在薄膜或塊體材料中，并且通常需要很強(qiáng)的磁場(chǎng)來(lái)抑制掉超導(dǎo)態(tài)，受此限制奇異金屬僅局限于費(fèi)米子體系。出人意料地，我們?cè)诩{米蜂窩結(jié)構(gòu)調(diào)制的高溫超導(dǎo)薄膜中，觀測(cè)到了玻色子體系中的奇異金屬，這使得我們有機(jī)會(huì)進(jìn)一步地去研究奇異金屬的物理本質(zhì)。”

突破

凝聚態(tài)物理學(xué)一大步

在團(tuán)隊(duì)此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)前，物理學(xué)界還沒(méi)有玻色子奇異金屬相關(guān)實(shí)驗(yàn)的報(bào)道。李言榮院士、熊杰教授研究小組，與美國(guó)布朗大學(xué)James M.VallesJr教授，北京大學(xué)謝心澄院士、王健教授，北京師范大學(xué)劉海文研究員，四川大學(xué)等合作者們協(xié)同攻關(guān)，成功突破了費(fèi)米子體系的限制，首次在玻色子體系中誘導(dǎo)出奇異金屬態(tài)。