一、研究背景
傳統的金屬輸運理論預測，由於電子-電子散射的主導作用，低溫下的電阻率ρ(T)應該作為T2的函式而變化。然而，這種共識在解釋最近的一些發現時遇到了巨大的概念挑戰。一種是在高溫超導體發現後不久出現的，其形式是在非常寬的溫度範圍內，它們的正常狀態電阻率與溫度成線性關係。被稱為凝聚態物理的中心法則之一，這種不尋常的電阻率與溫度的關係結構和其他異常性質標誌著銅酸鹽相圖中的準粒子影象的崩潰，現在被稱為奇怪的金屬相。有趣的是，這種相不僅侷限於銅酸鹽，還存在於許多其他強關聯電子材料中，如重費米子金屬、雙環烷和扭曲雙層石墨烯。值得注意的是，在強關聯絡統中與反鐵磁漲落相關的量子臨界區附近，電阻斜率似乎受到上限αF ≈ h/2e2 × 1/TF的約束，其中TF是費米溫度。這個束縛對應於費米子奇異金屬中所謂的普朗克耗散極限，由於其超越凝聚態系統的潛在擴充套件，最近受到了相當大的關注。
對傳統金屬輸運影象的另一個挑戰出現在超導系統中，表現為反常金屬態。它的特徵是在各種準二維超導材料中接近零溫度的飽和剩餘電阻率。在這些反常金屬中，庫珀電子對而不是單電子是主要的電荷載體。描述低溫區而非高溫區的玻色子輸運自然包括集體激發，這與準粒子影象形成鮮明對比。有趣的是，費米子奇異金屬的高散射率表明集體效應必須包括在內。所以奇怪的金屬也可能不侷限於費米系統。
二、研究成果
費米液體理論構成了我們理解大多數金屬的基礎:它們的電阻率來自於定義明確的準粒子以一定速率散射，在低溫極限下，特徵時間尺度的倒數與溫度的平方成正比。然而，各種量子材料——特別是高溫超導體，表現出奇怪的金屬行為，在溫度中具有線性散射率，偏離了這個中心正規化。在這裡，電子科技大學熊傑教授、李言榮院士課題組和美國布朗大學James M. Valles Jr等研究人員報道了玻色子系統中奇怪金屬丰度的意外特徵，而準粒子的概念並不適用。奈米圖案化YBCO(YBa2Cu3O7−δ)薄膜陣列揭示了在擴充套件的溫度和磁場範圍內的線性溫度和線性磁場電阻。
值得注意的是，在庫珀對形成的起始溫度以下，低場磁阻以超導通量量子h/2e (e，電子電荷；h，普朗克常數)。同時，霍爾係數在測量解析度內隨著溫度的降低而下降和消失，這表明庫珀對而不是單電子主導了傳輸過程。此外，這個玻色子系統中的特徵時標τ遵循一個沒有本徵能量標度的標度不變關係:ħ/τ ≈ a(kBT + γμBB)，其中ħ是約化的普朗克常數，a是階單位，kB是玻爾茲曼常數，t是溫度，μB是玻爾磁子，γ ≈ 2。透過將奇異金屬現象學的範圍擴充套件到玻色子系統，研究結果表明，有一個超越粒子統計的基本原則支配著它們的傳輸。
相關研究工作以“Signatures of a strange metal in a bosonic system”為題發表在國際頂級期刊《Nature》上。祝賀電子科技大學！
熊傑，教授，博導，國家優秀青年科學基金、四川省傑出青年基金獲得者，四川省學術和技術帶頭人，教育部新世紀優秀人才。低維功能材料與量子器件研究所所長。1979年7月出生於四川大竹，2002年7月電子科技大學應用化學本科畢業，2007年6月獲電子科技大學材料物理化學專業博士學位，同年6月留電子科技大學微電子與固體電子學院工作。2009年5月-2011年5月在美國Los Alamos國家實驗室從事博士後研究。現為美國材料研究協會（MRS），美國真空協會（AVS），美國物理學會（APS），IEEE會員，中國真空學會高階會員，中國電子學會高階會員，四川省科協科青聯會理事。
長期從事低維功能材料的教學、科研和人才培養工作，發表SCI論文170篇，被SCI 他引3000多次，其中以第一作者或通訊作者在Science, Nature Chemistry, Nature Communications, Physical Review Letters, Advanced Materials，Joule, Nano Letters等發表110篇；先後負責包括國家自然科學基金、國家863專案、青年973專案、軍科委、總裝預研等20餘項科研專案；申請國家發明專利50項（授權26項）；出版專著/教材（章節）5本，在國際國內學術會議和學術機構上作報告30餘次(邀請報告15次)。
三、圖文速遞
圖1. 奈米圖案YBCO薄膜中金屬絕緣體玻色子異常躍遷附近的溫度線性電阻
圖2. 垂直磁場下奈米圖案YBCO薄膜的T線性電阻和尺度不變B線性電阻
在這裡，作者打破現有的模式，即奇怪的金屬狀態是費米子系統的專有，研究表明這種不尋常的線性在玻色子宿主中會出現抗性行為。在庫珀對形成的溫度以下，奈米圖案化的YBCO薄膜表現出T線性電阻、h/2e磁阻振盪和零霍爾係數RH，表明當前系統是一種奇特的金屬，玻色子主導其輸運。在超導體-異常金屬轉變的量子臨界區附近，當前YBCO奇異金屬的T-線性電阻αcp的斜率與h/2e2×1/TConset(TConset，庫珀對形成的起始溫度)相當。這類似於費米子體系的αF≈h/2e2×1/TF。此外，磁電阻呈線性，斜率βcp近似於h/2e2×1/B*(B*為特徵磁場)。有趣的是，斜率之比αcp/βcp似乎僅由基本常數2μB/kB決定，這表明缺乏系統的內在能量尺度，因此缺乏尺度不變行為。這項研究擴充套件了奇異金屬態的可能量子空間，並推進了對基礎物理的理論理解。
目前的研究是在一系列高溫超導YBCO薄膜上進行的，這些薄膜是由原始YBCO薄膜透過反應離子刻蝕(RIE)透過具有三角形孔陣列的奈米多孔掩模形成圖案的。奈米圖案化使這些樣品具有由弱連線連線的六邊形超導“島”陣列(圖1b)。增加刻蝕劑量可以透過在孔中誘導更多的側壁損傷來增加正常狀態電阻RN，從而使陣列節點之間的連結更具電阻性。
圖3. 奈米圖案YBCO薄膜中的B-T關係
圖4. 奈米圖案YBCO薄膜的相圖
目前的工作揭示了一種獨特的低溫玻色子金屬輸執行為，它不同於先前超導體-絕緣體轉變的玻色子局域化正規化，在該正規化中，金屬行為在類似調諧引數的磁場或正常態電阻的臨界點出現臨界電阻RQ。類似於反常金屬狀態，這種奇怪的金屬狀態存在於一系列調諧引數中，剩餘電阻遠低於RQ。區分這種玻色子輸執行為的主要特徵是:(1)電阻隨溫度線性變化，其斜率類似於電阻量子與表徵電荷載流子基態的能量標度之比；(2)如圖3中的資料崩潰所暗示的隨磁場線性變化的磁阻；以及(3)這些行為在扇形區域中的出現，該扇形區域似乎終止於圖4中相圖中的量子臨界點。
四、結論與展望
作者最後指出，值得進一步探索可以解釋實驗觀察的其他場景，例如奈米圖案化YBCO薄膜中的不均勻性是否有作用。使用最先進的奈米印刷技術製造具有更大週期性的奈米圖案化YBCO薄膜可以更好地接近玻色子金屬態及其基礎物理。此外，未來對依賴於頻率的電導率的測量表明，有希望直接洞察該系統的動力學，這可能揭示這些線性傳輸現象的起源。Drude德魯伊寬度的測量將特別有趣，因為它被提出在適用於包括冷原子、固態材料和夸克膠子等離子體在內的許多形式的物質的模型中與熵成比例。此外，由於耗散誘導退相干過程在量子計算中很重要，這項結果為進一步研究耗散奇異金屬態的微觀起源提供了平臺。
五、文獻連結
官網連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04239-y
文獻原文：
關注公眾號『材料十』，後臺回覆“金屬”，即可獲取文獻原文。
