揭示高温超导超流密度与线性电阻的关联规律 | 进展

自1986年铜氧化物高温超导体发现以来，科学家就发现其正常态电阻在低温下呈现出随温度线性变化的规律。这种“奇异金属”现象之后也在铁基及其它超导材料中发现，说明该现象的普适性，但其与高温超导电子配对机理之间是否存在关联仍不清楚。

2022年，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心超导国家重点实验室金魁、袁洁、陈其宏团队基于材料基因工程连续组分单晶薄膜实验技术成功制备出La2-xCexCuO4高温超导组合薄膜，并结合跨尺度表征技术首次揭示了超导转变温度Tc与线性电阻斜率A1间的幂指数依赖关系，Tc~A10.5【Nature602,431 (2022)】，随后又通过离子液体调控技术成功实现了对FeSe超导温度Tc的连续调控，并结合高场输运测量证实该幂指数规律对此材料同样成立【Nat. Phys.19,365 (2023)】，表明线性电阻这种奇异金属性的确与高温超导电子配对机理之间存在很强的关联性。为进一步揭示奇异金属和高温超导间的内在联系，该团队通过对零温超流密度ρs0的测量，进一步探讨了高温超导电性与线性电阻之间的关系。

图 基于离子液体调控-超流密度原位测量技术揭示FeSe超导凝聚与奇异金属行为间的定量关联。A、离子液体调控及超流密度原位测量示意图。B、调控过程中FeSe超流密度ρs随温度和超导转变温度Tc的系统演化（ρs = λ-2 ∝ ns/m*，λ是磁场穿透深度，ns是超导电子浓度，m*是电子有效质量）。C、调控过程中超导态与奇异金属态的同步演化。D、零温超流密度ρs0与奇异金属线性电阻斜率A1的关系。E、基于二维Yukawa-Sachdev-Ye-Kitaev模型计算的零温超流密度与线性电阻斜率的关系。计算假定了量子临界涨落与无序散射随调控（或化学掺杂）的协同变化。

超流密度是刻画高温超导电性的一个重要物理量，但准确测量超流密度在实验上存在很大的挑战，而且也很难与离子液体调控装置兼容。为了解决这个难题，该团队博士生秦明阳、张若舟等在金魁研究员的指导下研发了多类双线圈互感装置，先后攻克了如小样品尺寸效应误差【Supercond. Sci. Technol.34,085022 (2021);中国发明专利 CN117388779A】、薄膜“死层”标定【Phys. Rev. Appl.17,054034 (2022)】等难题。在此基础上，该团队最近成功将双线圈互感技术与离子液体调控技术结合，在连续调控FeSe薄膜Tc的同时，原位测量了超流密度，并发现了Tc与ρs0存在如下标度率：Tc∝ρs00.55±0.11。结合之前发现的Tc与线性电阻系数A1的关系，此标度律说明ρs0与A1之间存在线性关联：ρs0~A1。这种线性关系在铜氧化物超导体也成立，说明超导电子配对与奇异金属型电子散射之间的关联是高温超导体系的普适特性，是高温超导机理研究的一项重要实验进展。

以上成果以“Correlation between unconventional superconductivity and strange metallicity revealed by operando superfluid density measurements”为题，于2025年8月22日在线发表于学术期刊Science Advances。该工作在赵忠贤院士和金魁研究员的共同构思和指导下完成，张若舟和秦明阳设计搭建测量系统并完成离子液体调控和超流密度原位表征，赵展艺完成薄膜样品生长，向涛院士、李自翔特聘研究员提供理论支持，美国哈佛大学Subir Sachdev教授和黎晨远完成2d-YSYK模型计算。该工作得到了国家自然科学基金、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划、国家重点研究发展计划、北京市科技新星计划的支持。

编辑：紫竹小筑