科學家首次發現并證實玻色子奇異金屬

電子科技大學電子薄膜與集成器件國家重點實驗室主任李言榮院士團隊與美國布朗大學教授James M. Valles Jr、北京大學物理學院/量子材料科學中心謝心澄院士等協同攻關，成功突破了費米子體系的限制，首次在玻色子體系中誘導出奇異金屬態。相關研究1月12日發表于《自然》。

宇宙中，基本粒子分為費米子與玻色子兩種。其中，人類社會目前賴以生存的電子工業與器件發展幾乎完全基于費米子體系，但該體系能耗高、損耗大，物理尺寸已近極限，面臨性能持續提升的瓶頸，無法滿足快速增長的信息傳輸需求。而以高溫超導體為代表的玻色子器件，具有完美的零損耗能量傳遞特性，有望帶來電子信息工業的革命性變化。

奇異金屬與普通金屬不同，其電阻率與溫度成正比，存在于銅基高溫超導體中，是一種電子之間高度量子糾纏的新物質狀態，其混亂程度趨向于量子力學極限。早在30年前，科學家就發現了費米子奇異金屬，但是否存在玻色子奇異金屬是長期以來難以攻克的科學難題。

研究團隊通過在高溫超導釔鋇銅氧（YBCO）薄膜中精準構筑納米網孔陣列，實現了對玻色子相干性、耗散能等物性的跨尺度調控，在量子相變臨界區發現了電阻隨溫度與磁場線性變化的奇異金屬態。同時，低于超導臨界溫度時，體系霍爾電阻急劇減少為零，并且存在與庫珀電子對相關的h/2e超導量子磁電阻振蕩，證明體系的載流子是玻色子。進一步通過標度分析，發現玻色子奇異金屬的電阻由溫度與磁場簡單的線性相加決定，證明了電阻在量子臨界區與體系內在的能量尺度無關，滿足標度不變的關系，揭示了玻色子在量子臨界區存在奇異的動力學行為；建立了玻色子奇異金屬的完備相圖；闡釋了玻色系統耗散量子相變的物理圖像。

針對該項研究，美國科學院院士Chandra M. Varma發表專題評論文章，高度評價玻色子奇異金屬的發現是凝聚態物理領域的重大突破。《自然》審稿人評價此工作是引領量子理論發展的變革性成果。同時，《自然》配發評述文章，評價這項工作突破了現有對奇異金屬態與無序超導體的認知框架，將推動凝聚態物理學領域向前邁出一大步。

該研究為理解凝聚態物理中奇異金屬的物理規律、揭示奇異金屬的普適性、完善量子相變理論奠定了科學基礎，對揭示耗散效應對玻色子量子相干的定量影響，推動未來低能耗超導量子計算以及極高靈敏量子探測技術的發展具有重要的理論和實際意義。