北大王健团队重要突破！QD中国PPMS样机助力铁基界面超导体中的高温反常金属态研究
发布日期：2024-07-12
二维超导具有丰富的物性和广阔应用前景，一直以来都是凝聚态物理领域的重要研究方向。在超导-绝缘体相变过程中，除超导态和绝缘态之外，通常还有反常金属态，表现为接近零温的饱和非零电阻。这种奇特的金属态超越了我们对2D超导体系基态的认知，其微观物理起源至今仍是未解之谜。系统性的研究和调控是揭秘起源的关键，但也极具困难和挑战。我们的重要用户——北京大学物理学院量子材料科学中心王健老师课题组——在此领域深耕十余载，并在不同二维超导体系的反常金属态研究中取得了一系列重要的原创性成果。
近日，王健教授课题组与其合作者，在二维界面高温超导体FeSe/SrTiO3中观测到了接近20 K的高温玻色反常金属态，是迄今为止特征温度最高的玻色反常金属态。该篇工作以"High-Temperature Anomalous Metal States in Iron-Based Interface Superconductors”为题[1]，于2024年5月31日在线发表于《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett.）。
本研究采用分子束外延生长技术，在SrTiO3（STO）衬底上制备了一系列1~5原胞厚度的高质量晶态FeSe薄膜，并基于Quantum Design PPMS设备开展了系统的极低温强磁场下的电磁输运实验研究。
零磁场下，典型的超导FeSe薄膜随温度的降低，展现出弱局域金属态（正常态）向超导态的转变，超导起始转变温度可以超过40K，超导零电阻转变温度接近20K。而对于正常态电阻稍大的FeSe薄膜——如本文S2号样品，随着超导转变的发生，电阻先下降，然后低温下趋近于一个饱和的非零值，这意味着反常金属态的出现，其零磁场下反常金属态的最高特征温度可达19.7K，与超导起始转变温度的比值可达56.1%。远高于其他体系的反常金属态。垂直外磁场的施加会导致超导转变过程展宽，抑制反常金属态的出现。另外S3号样品同步测试了霍尔系数和纵向电阻，随超导转变的发生，霍尔系数由负值逐渐逼近0，同时纵向电阻也逐渐趋于饱和，表明该金属态具有与超导态类似的粒子空闲对称性，暗示其输运性质由玻色型库伯对主导。
图1 二维晶态FeSe薄膜的高温反常金属态。（a）S2号样品在不同垂直磁场下的电阻温度依赖曲线，零磁场下反常金属态特征温度高达19.7K。（b）S3号样品的同步霍尔/电阻温度依赖曲线。（c）不同材料体系中，反常金属特征温度以及与超导起始转变温度比值的统计。
相较于mK温区的一些反常金属态，该体系高温反常金属态的发现，不仅可以排除可能的外部高频噪声的影响，而且使得在较宽温区探索反常金属态的演变成为可能。为调控其输运性质，本文首先在FeSe薄膜上刻蚀纳米孔洞，形成二维约瑟夫森结阵列结构，对于210s刻蚀时间的薄膜，反常金属态的特征温度仅为0.4K，相较于未刻蚀晶态薄膜，特征温度降低了两个量级。同时，其磁阻数据展现出h/2e的振荡周期，符合库伯对的量子振荡，揭示了反常金属态的玻色本质。
图2 刻蚀纳米孔洞阵列的FeSe薄膜的高温反常金属态。（a）刻蚀纳米结构示意图。（b）刻蚀薄膜的I-V曲线展现出欧姆行为。（c）不同磁场下的电阻温度依赖曲线表明，零磁场下反常金属态特征温度仅为0.4K。（d）-0.8T到0.8T下的磁阻展现出量子振荡，与超导磁通量子振荡周期吻合。
此外，无论是未刻蚀晶态还是刻蚀孔洞阵列的FeSe薄膜，在超导起始转变温度之下，都具有电阻随温度的线性依赖关系，符合非费米液体特征。随着刻蚀时间增加，依赖斜率显著提升，明显高于费米子主导的反常金属态，符合玻色型反常金属态特征。
图3 未刻蚀晶态和刻蚀孔洞阵列的FeSe薄膜的温度电阻依赖曲线。（a）未刻蚀晶态薄膜不同磁场下的电阻温度依赖曲线。（b）不同刻蚀时间的孔洞阵列薄膜的电阻温度依赖曲线。
基于以上这些输运实验结果，该团队给出了零磁场下的玻色反常金属态的微观理论模型，也就是磁通涡旋量子隧穿过程中，磁通涡旋的运动与费米子耦合而发生了耗散作用，进而给出了玻色型反常金属态输运特征，本文的研究工作为理解反常金属态的物理起源提供了重要视角。
本文所有的输运实验均在Quantum Design PPMS系统完成。部分温度依赖的电阻和霍尔实验在QD中国完全无液氦综合物性测量系统- PPMS®DynaCool™样机上完成。低至50mK的极低温实验同样基于PPMS系统，搭配有稀释制冷机选件，并结合了射频滤波器。本文第一作者对我们的设备和支持给予了充分肯定，QD中国也非常荣幸能参与到这一科学探索的前沿领域，我们深信，与科研专家携手，共拓科学新界，是助力中国在世界创新领域领先的核心战略。
完全无液氦综合物性测量系统- PPMS®DynaCool™
QD中国科学实验中心
QD中国致力于成为中国科研领域的杰出合作伙伴，打造了涵盖低温物理、低温光学、表面成像、光谱表征、材料科学、样品制备、微纳加工、化学和生命科学等多个关键领域的先进技术设备，为学术研究提供专业、定制化的支持与服务。
【参考文献】
[1]. Y. Li et al., High-Temperature Anomalous Metal States in Iron-Based Interface Superconductors. Physical Review Letters 132, 226003 (2024).
