二維超導(dǎo)具有豐富的物性和廣闊應(yīng)用前景，一直以來都是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的重要研究方向。在超導(dǎo)-絕緣體相變過程中，除超導(dǎo)態(tài)和絕緣態(tài)之外，通常還有反常金屬態(tài)，表現(xiàn)為接近零溫的飽和非零電阻。這種奇特的金屬態(tài)超越了我們對2D超導(dǎo)體系基態(tài)的認(rèn)知，其微觀物理起源至今仍是未解之謎。系統(tǒng)性的研究和調(diào)控是揭秘起源的關(guān)鍵，但也具有困難和挑戰(zhàn)。我們的重要用戶——北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心王健老師課題組——在此領(lǐng)域深耕十余載，并在不同二維超導(dǎo)體系的反常金屬態(tài)研究中取得了一系列重要的原創(chuàng)性成果。

近日，王健教授課題組與其合作者，在二維界面高溫超導(dǎo)體FeSe/SrTiO₃中觀測到了接近20 K的高溫玻色反常金屬態(tài)，是迄今為止特征溫度最高的玻色反常金屬態(tài)。該篇工作以"High-Temperature Anomalous Metal States in Iron-Based Interface Superconductors”為題^[1]，于2024年5月31日在線發(fā)表于《物理評論快報(bào)》（Phys. Rev. Lett.）。

本研究采用分子束外延生長技術(shù)，在SrTiO₃（STO）襯底上制備了一系列1~5原胞厚度的高質(zhì)量晶態(tài)FeSe薄膜，并基于Quantum Design PPMS設(shè)備開展了系統(tǒng)的極低溫強(qiáng)磁場下的電磁輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)研究。

零磁場下，典型的超導(dǎo)FeSe薄膜隨溫度的降低，展現(xiàn)出弱局域金屬態(tài)（正常態(tài)）向超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變，超導(dǎo)起始轉(zhuǎn)變溫度可以超過40K，超導(dǎo)零電阻轉(zhuǎn)變溫度接近20K。而對于正常態(tài)電阻稍大的FeSe薄膜——如本文S2號(hào)樣品，隨著超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的發(fā)生，電阻先下降，然后低溫下趨近于一個(gè)飽和的非零值，這意味著反常金屬態(tài)的出現(xiàn)，其零磁場下反常金屬態(tài)的最高特征溫度可達(dá)19.7K，與超導(dǎo)起始轉(zhuǎn)變溫度的比值可達(dá)56.1%。遠(yuǎn)高于其他體系的反常金屬態(tài)。垂直外磁場的施加會(huì)導(dǎo)致超導(dǎo)轉(zhuǎn)變過程展寬，抑制反常金屬態(tài)的出現(xiàn)。另外S3號(hào)樣品同步測試了霍爾系數(shù)和縱向電阻，隨超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的發(fā)生，霍爾系數(shù)由負(fù)值逐漸逼近0，同時(shí)縱向電阻也逐漸趨于飽和，表明該金屬態(tài)具有與超導(dǎo)態(tài)類似的粒子空閑對稱性，暗示其輸運(yùn)性質(zhì)由玻色型庫伯對主導(dǎo)。

圖1 二維晶態(tài)FeSe薄膜的高溫反常金屬態(tài)。（a）S2號(hào)樣品在不同垂直磁場下的電阻溫度依賴曲線，零磁場下反常金屬態(tài)特征溫度高達(dá)19.7K。（b）S3號(hào)樣品的同步霍爾/電阻溫度依賴曲線。（c）不同材料體系中，反常金屬特征溫度以及與超導(dǎo)起始轉(zhuǎn)變溫度比值的統(tǒng)計(jì)。

相較于mK溫區(qū)的一些反常金屬態(tài)，該體系高溫反常金屬態(tài)的發(fā)現(xiàn)，不僅可以排除可能的外部高頻噪聲的影響，而且使得在較寬溫區(qū)探索反常金屬態(tài)的演變成為可能。為調(diào)控其輸運(yùn)性質(zhì)，本文首先在FeSe薄膜上刻蝕納米孔洞，形成二維約瑟夫森結(jié)陣列結(jié)構(gòu)，對于210s刻蝕時(shí)間的薄膜，反常金屬態(tài)的特征溫度僅為0.4K，相較于未刻蝕晶態(tài)薄膜，特征溫度降低了兩個(gè)量級。同時(shí)，其磁阻數(shù)據(jù)展現(xiàn)出h/2e的振蕩周期，符合庫伯對的量子振蕩，揭示了反常金屬態(tài)的玻色本質(zhì)。

圖2 刻蝕納米孔洞陣列的FeSe薄膜的高溫反常金屬態(tài)。（a）刻蝕納米結(jié)構(gòu)示意圖。（b）刻蝕薄膜的I-V曲線展現(xiàn)出歐姆行為。（c）不同磁場下的電阻溫度依賴曲線表明，零磁場下反常金屬態(tài)特征溫度僅為0.4K。（d）-0.8T到0.8T下的磁阻展現(xiàn)出量子振蕩，與超導(dǎo)磁通量子振蕩周期吻合。

此外，無論是未刻蝕晶態(tài)還是刻蝕孔洞陣列的FeSe薄膜，在超導(dǎo)起始轉(zhuǎn)變溫度之下，都具有電阻隨溫度的線性依賴關(guān)系，符合非費(fèi)米液體特征。隨著刻蝕時(shí)間增加，依賴斜率顯著提升，明顯高于費(fèi)米子主導(dǎo)的反常金屬態(tài)，符合玻色型反常金屬態(tài)特征。

圖3 未刻蝕晶態(tài)和刻蝕孔洞陣列的FeSe薄膜的溫度電阻依賴曲線。（a）未刻蝕晶態(tài)薄膜不同磁場下的電阻溫度依賴曲線。（b）不同刻蝕時(shí)間的孔洞陣列薄膜的電阻溫度依賴曲線。

基于以上這些輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)給出了零磁場下的玻色反常金屬態(tài)的微觀理論模型，也就是磁通渦旋量子隧穿過程中，磁通渦旋的運(yùn)動(dòng)與費(fèi)米子耦合而發(fā)生了耗散作用，進(jìn)而給出了玻色型反常金屬態(tài)輸運(yùn)特征，本文的研究工作為理解反常金屬態(tài)的物理起源提供了重要視角。

本文所有的輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)均在Quantum Design PPMS系統(tǒng)完成。部分溫度依賴的電阻和霍爾實(shí)驗(yàn)在QD中國無液氦綜合物性測量系統(tǒng)- PPMS^®DynaCool™樣機(jī)上完成。低至50mK的極低溫實(shí)驗(yàn)同樣基于PPMS系統(tǒng)，搭配有稀釋制冷機(jī)選件，并結(jié)合了射頻濾波器。本文第一作者對我們的設(shè)備和支持給予了充分肯定，QD中國也非常榮幸能參與到這一科學(xué)探索的前沿領(lǐng)域，我們深信，與科研專家攜手，共拓科學(xué)新界，是助力中國在世界創(chuàng)新領(lǐng)域的核心戰(zhàn)略。

無液氦綜合物性測量系統(tǒng)- PPMS^®DynaCool™

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【參考文獻(xiàn)】

[1]. Y. Li et al., High-Temperature Anomalous Metal States in Iron-Based Interface Superconductors. Physical Review Letters 132, 226003 (2024).