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《自然》杂志:这个中国科学家团队的发现让凝聚态物理学研究迈进一大步

发布时间:2022-05-03 02:20:16 作者: 点击:10 【 字体:

封面新闻记者 张峥 动画制作 罗彬月 徐英蔓 卢家丽

2022年1月12日,国际著名期刊《Nature》发表了电子科大李言荣院士团队为主完成的《玻色子体系中的奇异金属态》研究论文,首次在高温超导体中发现并证实了玻色子奇异金属。该发现是量子科技领域取得的又一重大发现,有可能成为推动下一代低功耗计算器件以及极高灵敏度的量子探测器件的关键。

nature网站截图

《Nature》配发的专题亮点评述文章认为,这项工作突破了现有对奇异金属态与无序超导体的认知框架,将推动凝聚态物理学领域向前迈出一大步。

什么是玻色子奇异金属?玻色子奇异金属态现象的发现,在未来将有哪些应用场景?日前,封面新闻记者专访了李言荣院士团队。

科普

玻色子奇异金属

1911年,当物理学家昂内斯(Kamerlingh Onnes)用液氦将金属汞的温度降低到4K(−269.15°C)以下时,神奇的事情发生了:电阻完全消失了!电流可以在超导体中无损耗的输运,他发现的正是所谓的超导现象。1986年,Georg Bednorz和K.Alex Müller发现,在温度降低到35K(−238.2°C)时,陶瓷性金属氧化物LaBaCuO会转变为超导态。他们的发现开启了铜基高温超导体的时代,并且在铜基高温超导体中发现了奇异金属。

奇异金属,顾名思义,与普通金属不同,其电阻率与温度成正比,存在于铜基高温超导体中,超越了费米液体理论的框架,是一种电子之间高度量子纠缠的新物质状态。“可以想象奇异金属为高度纠缠的量子粘滞流体,由于电子处于最大纠缠的状态,还没有来得及表现准粒子的特性就‘淹没’在了体系中。”李言荣院士说。

左图是可以用朗道费米液体理论描述的普通金属。右图是费米子的奇异金属,由于电子之间高度纠缠,难以用准粒子的图像描述。(图片来源哈佛大学教授Subir Sachdev的讲座)

纳米蜂窝结构调制的高温超导薄膜中的玻色子奇异金属物理图像的示意图。蓝色气泡代表了库珀对,箭头代表了库珀对的相位,海浪代表着超导涨落。

什么是玻色子奇异金属?宇宙中的基本粒子可分为费米子与玻色子两种。早在三十年前,科学家们就发现了费米子奇异金属,但是否存在玻色子奇异金属是长期以来难以攻克的科学难题。“受到材料结构的限制,以往的奇异金属态的所有研究仅仅局限于费米子体系。”李言荣院士团队成员之一、电子科大熊杰教授解释说:“之前的奇异金属的研究大多在薄膜或块体材料中,并且通常需要很强的磁场来抑制掉超导态,受此限制奇异金属仅局限于费米子体系。出人意料地,我们在纳米蜂窝结构调制的高温超导薄膜中,观测到了玻色子体系中的奇异金属,这使得我们有机会进一步地去研究奇异金属的物理本质。”

突破

凝聚态物理学一大步

在团队此项发现前,物理学界还没有玻色子奇异金属相关实验的报道。李言荣院士、熊杰教授研究小组,与美国布朗大学James M.VallesJr教授,北京大学谢心澄院士、王健教授,北京师范大学刘海文研究员,四川大学等合作者们协同攻关,成功突破了费米子体系的限制,首次在玻色子体系中诱导出奇异金属态。

该项研究被《Nature》认为:这项工作突破了现有对奇异金属态与无序超导体的认知框架,将推动凝聚态物理学领域向前迈出一大步。

凝聚态物理学是当今物理学重要的分支学科之一,是研究由大量微观粒子组成的凝聚态物质的微观结构、粒子间的相互作用、运动规律及其物质性质与应用的科学。中国的凝聚态物理学在这几十年发展非常迅速,包括实验与理论。实验方面铜基高温超导体和铁基高温超导体,中国科学家作出了重要的贡献,走在了世界第一梯队,有追赶美国的趋势。

应用

低能耗超导量子计算、极高灵敏量子探测

李言荣院士团队的这项研究会在未来产生什么样的影响?据介绍,目前所有电子器件绝大多数都是基于费米子(电子)体系,都存在能量消耗高,损耗大等问题。而这项发现,可能将成为推动未来低能耗超导量子计算以及极高灵敏量子探测技术的关键。

“理论上除了费米子,玻色子也可以作为信息与计算的媒介,并且玻色子相比于费米子有可以精准调控量子相干性的优势,比如超导量子计算,光量子计算都是基于玻色子的量子相干,但要精密调控并利用这些玻色系统,需要深入理解耗散对量子相干的影响。玻色子奇异金属的发现,提供了揭示耗散效应对玻色子量子相干的定量影响的很好的研究平台,因此有着基础性的意义。”李言荣院士说。

未来怎么进一步推动玻色子奇异金属研究?团队表示,“物理方面,我们计划通过进一步的实验手段来研究玻色子奇异金属,包括强磁场下输运测量,热输运测量,光电导测量等,有望观测到玻色子奇异金属中的更有意思的物理现象。应用方面,我们一直也在致力于开展基于玻色金属态的高温超导单光子探测器件的制备,有望能够实现轻质小型、高灵敏高温超导单光子探测原型器件,希望能应用到国防装备系统、量子通信、航空航天等领域。”

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