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

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

本研究采用分子束外延生長技術，在SrTiO₃（STO）襯底上制備了一系列1~5原胞厚度的高質量晶態FeSe薄膜，并基于Quantum Design PPMS設備開展了系統的極低溫強磁場下的電磁輸運實驗研究。

零磁場下，典型的超導FeSe薄膜隨溫度的降低，展現出弱局域金屬態（正常態）向超導態的轉變，超導起始轉變溫度可以超過40K，超導零電阻轉變溫度接近20K。而對于正常態電阻稍大的FeSe薄膜——如本文S2號樣品，隨著超導轉變的發生，電阻先下降，然后低溫下趨近于一個飽和的非零值，這意味著反常金屬態的出現，其零磁場下反常金屬態的最高特征溫度可達19.7K，與超導起始轉變溫度的比值可達56.1%。遠高于其他體系的反常金屬態。垂直外磁場的施加會導致超導轉變過程展寬，抑制反常金屬態的出現。另外S3號樣品同步測試了霍爾系數和縱向電阻，隨超導轉變的發生，霍爾系數由負值逐漸逼近0，同時縱向電阻也逐漸趨于飽和，表明該金屬態具有與超導態類似的粒子空閑對稱性，暗示其輸運性質由玻色型庫伯對主導。

圖1 二維晶態FeSe薄膜的高溫反常金屬態。（a）S2號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特征溫度高達19.7K。（b）S3號樣品的同步霍爾/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起始轉變溫度比值的統計。

相較于mK溫區的一些反常金屬態，該體系高溫反常金屬態的發現，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探索反常金屬態的演變成為可能。為調控其輸運性質，本文首先在FeSe薄膜上刻蝕納米孔洞，形成二維約瑟夫森結陣列結構，對于210s刻蝕時間的薄膜，反常金屬態的特征溫度僅為0.4K，相較于未刻蝕晶態薄膜，特征溫度降低了兩個量級。同時，其磁阻數據展現出h/2e的振蕩周期，符合庫伯對的量子振蕩，揭示了反常金屬態的玻色本質。

圖2 刻蝕納米孔洞陣列的FeSe薄膜的高溫反常金屬態。（a）刻蝕納米結構示意圖。（b）刻蝕薄膜的I-V曲線展現出歐姆行為。（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特征溫度僅為0.4K。（d）-0.8T到0.8T下的磁阻展現出量子振蕩，與超導磁通量子振蕩周期吻合。

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

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

基于以上這些輸運實驗結果，該團隊給出了零磁場下的玻色反常金屬態的微觀理論模型，也就是磁通渦旋量子隧穿過程中，磁通渦旋的運動與費米子耦合而發生了耗散作用，進而給出了玻色型反常金屬態輸運特征，本文的研究工作為理解反常金屬態的物理起源提供了重要視角。

本文所有的輸運實驗均在Quantum Design PPMS系統完成。部分溫度依賴的電阻和霍爾實驗在QD中國無液氦綜合物性測量系統- PPMS^®DynaCool™樣機上完成。低至50mK的極低溫實驗同樣基于PPMS系統，搭配有稀釋制冷機選件，并結合了射頻濾波器。本文第一作者對我們的設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探索的前沿領域，我們深信，與科研專家攜手，共拓科學新界，是助力中國在世界創新領域的核心戰略。

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【參考文獻】

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