全球首次，我国科学家攻克世界级难题，证实量子金属态存在

近日，电子科技大学牵头与北京大学、北京师范大学、清华大学、美国布朗大学等相关专家组成的研究团队，在国际上首次完全证实高温超导纳米多孔薄膜中量子金属态的存在，为研究量子金属态提供了新思路。

该成果相关论文《超导—绝缘相变中的玻色金属态》已在国际著名期刊《科学》上以“first release（首次发布）”形式刊发。

博士生杨超（导师为李言荣院士）为该论文第一作者。熊杰教授为通讯作者，张万里教授、李言荣院士为共同作者。这是电子科技大学首次以第一作者、第一单位在《科学》正刊发表原创成果，这标志着该团队在高温超导量子相变方向取得了重大研究进展。

从量子力学提出之后，人类就一直想要将量子力学应用于生活之中，而量子材料就是科学家的一个探索方向，上世纪五十年代以来，以硅（Si）材料为代表的第一代半导体材料取代了笨重的电子管引发了集成电路（IC）为核心的微电子领域迅速发展，硅作为集成电路最基础的材料，构筑了整个信息产业的最底层支撑。

然而随着计算机的发展，半导体制程的不断突破，使得硅晶片的使用已经到达了物理极限，再加上硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低，硅在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制，在高频下工作性能较差，不适用于高压应用场景，光学性能也得不到突破。

所以科学家一直想用新材料来代替硅，科学家认为，新材料的突破将对整个半导体行业进行大洗牌，终结整个以硅为核心的半导体时代，并且可能带来第四次工业革命。

所以新材料的探索是各个国家是每个国家的热点领域，美国就直言：

如果没有新的科学技术，美国在制造计算机芯片方面的领先优势可能会被其他国家的半导体制造商所取代。

所以如果中国可以在新材料上取得突破，那么不管是光刻机还是芯片等半导体我们都将不用再受制于美国，因为我们将引领新的半导体革命。

砷化镓、氮化镓都成为了科学家探索的方向，当然，还有量子材料。量子材料（石墨烯也属于量子材料）属于一大类新材料——溶液纳米晶中的一种。溶液纳米晶具有晶体和溶液的双重性质。量子材料被科学家认为是最有可能引发新一轮半导体革命、终结硅时代的新材料！

英特尔公司2018年年底就发现了一种新的量子材料——多铁性材料和拓扑材料，他们通过研究发现，多铁性材料和拓扑材料转化为能够提供10到100倍能量的逻辑和存储器件 -对于基于CMOS(互补金属氧化物半导体)的当前微处理器的可预见的改进是有效的。

而我国科学家的这次发现更是意义重大。

这里面还涉及到凝聚态物理中的量子相变，相变是指物质在外部参数（如：温度、压力、磁场等等）连续变化之下，从一种相（态）忽然变成另一种相，最常见的是冰变成水和水变成蒸气。然而，除了物体的三相变化（固态、液态、气态）自然界还存在许许多多的相变现象，例如日常生活中另一种较常见的相变是加热一块磁铁，磁铁的铁磁性忽然消失。

而量子相变是指发生在绝对零度的相变现象。与热相变不同的是，热相变的发生是由于热扰动所造成，而量子相变是经由量子涨落所造成。量子相变的发生代表着在量子多体系统中基态的性质随着外部参数发生突然的骤变。

作为量子相变的经典范例，二维超导-绝缘体相变以及超导-金属相变研究获得了2015年美国凝聚态物理最高奖巴克利奖。在二维超导的量子相变过程中，除超导态与绝缘态两种基态外，是否存在量子金属态一直是理论与实验上争论的焦点。

尤其是自高温超导发现以来，二维量子金属态的存在及其形成机制，是30余年来国际学术界一直悬而未决的重要物理问题。

根据安德森标度理论，由于量子干涉效应以及相位相干长度在零温下发散的特性，载流子在趋于绝对零度时会表现出局域化效应，因此理论上不存在二维量子金属态。

尽管实验上在各种二维超导体系发现了量子金属态的可能迹象，但受低临界温度的制约以及外界高频噪声的影响，二维量子金属态是否存在仍存在着巨大争议。

该团队在“千疮百孔”的超薄钇钡铜氧（YBCO）高温超导薄膜中，首次发现了量子金属态的存在，该团队通过调节反应离子刻蚀的时间，在高温超导钇钡铜氧（YBCO）多孔薄膜中实现了超导—量子金属—绝缘体相变；通过极低温输运测试发现，超导、金属与绝缘这三个量子态都有与库珀电子对相关的h/2e周期的超导量子磁导振荡，证明量子金属态是玻色金属态，揭示出库珀对玻色子对于量子金属态的形成起到了主导作用。

库珀对在量子相变过程中的相干性衍变 (A)超导态、(B) 量子金属态、(C)绝缘态的磁导振荡图。 (D) 不同温度下，所有YBCO薄膜的磁导振荡的振幅。对于量子金属态薄膜，磁导振荡的振幅随温度的降低在5K左右而饱和。而超导态薄膜磁导振荡的振幅在低温下发散，绝缘态薄膜磁导振荡的振幅随着温度降低先增加后减小。(E) 通过相位相干的近似模型，计算得到量子金属态的相位相干长度在低温下饱和。揭示了量子金属形成的一种可能机制

量子金属态存在的直接证据是体系的电阻随着温度降低表现出饱和特性，在高温超导体YBCO薄膜中，该电阻饱和温度高达5K，这一温度相比于传统超导体系提高了1—2个数量级，大大提升了量子金属态的稳定性和实验结果的可信度。

而通过高频滤波器极低温对照实验表明，是否添加滤波器对体系的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，为量子金属态的存在提供了可靠的实验证据。

实验还揭示了量子金属态的霍尔电阻为零欧姆，意味着量子金属态具有与超导体类似的粒子空穴对称性（particle-hole symmetry）。此外，实验表明量子金属态在低温下满足欧姆定律且具有巨磁阻效应，这些发现也与理论上对量子金属态的预期吻合。

钇钡铜氧（YBCO）纳米多孔薄膜中的超导-量子金属-绝缘体量子相变。(A)用多孔氧化铝（AAO）模板蚀刻法制备YBCO纳米多孔薄膜的工艺示意图。(B) YBCO纳米多孔薄膜扫描电镜（SEM）图像。(C) YBCO纳米多孔薄膜的几何结构示意图。(D)不同刻蚀时间下YBCO纳米多孔薄膜的电阻对温度的依赖关系。超导态(SC)、量子金属态(AM1)、过渡态(TS)和绝缘态(INS)四种典型薄膜的电阻温度曲线用黑色表示

总结来说，这次实验证实了高温超导材料中从超导态到绝缘态的转变过程中的确存在一个中间量子金属态，形成了超导—量子金属—绝缘体相变。

量子金属态证据。(A)量子金属态薄膜和超导薄膜的输运曲线。其中低温下电阻的饱和行为为量子金属态的特征。(B) 量子金属态薄膜极低温输运曲线。是否采用高频滤波器并不改变量子金属态饱和电阻的特征。插图: 量子金属态薄膜的I-V曲线，符合欧姆定律，亦为量子金属态的证据。(C)典型量子金属态薄膜的霍尔电阻和纵向电阻随温度的变化图。霍尔电阻(Rxy)在低温下趋于零，而纵向电阻不为零，表现出量子金属态的特征。插图: 量子金属态薄膜不同温度下的霍尔电阻(Rxy)。(D) 量子金属态薄膜的巨磁阻效应，与理论上对量子金属态的预期相符

这一研究成果攻克了世界级的物理难题，为国际上争论了三十多年的量子金属态的存在提供了有力的证据，并为研究量子金属态提供了新思路。将极大程度地推动量子材料的发展。

得到了美国科学院院士、斯坦福大学S.A. Kivelson教授的高度评价：“对于量子金属起源的探索将会改变我们对量子材料的认识，将极大地推动量子器件领域的发展。”

团队成员北京大学物理学院量子材料中心王健教授王健称：表现为玻色子的库珀对导致这种金属态令人惊讶，因为有量子理论认为这不可能。这一新物质态可被称为玻色金属、量子金属或反常金属，理解这一状态有望开启新物理学，但仍需更多研究。此外，高温超导体系中量子玻色金属的证实不仅对量子材料的认知具有重要意义，也有望催生新型电子器件。