近日，意昂3体育官网物理學院量子材料科學中心王健教授課題組與謝心澄院士🥽、清華大學物理系薛其坤院士、王立莉副研究員🚺、北京師範大學物理學系劉海文教授、中國人民大學物理學系劉易副教授🙄、賓夕法尼亞州立大學物理系Nitin Samarth教授🤷、陜西師範大學物理學與信息技術學院潘明虎教授合作，在二維界面高溫超導體FeSe/SrTiO₃中觀測到了接近20K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。經過十余年的系統實驗研究🔥，王健團隊發現通過控製樣品生長條件和製備周期性孔洞陣列來改變二維界面高溫超導FeSe薄膜樣品的正常態電阻，可以實現對二維超導態的有效調控，進而發現了高溫玻色金屬態及其演化規律，並觀測到玻色型奇異金屬態的特征。基於實驗發現，該工作給出了零磁場下玻色反常金屬態的微觀理論模型，也即歐姆耗散影響下的磁通渦旋量子隧穿圖像，為理解反常金屬態的物理起源提供了重要視角🐆。這一工作以《鐵基界面超導體中的高溫反常金屬態》（“High-Temperature Anomalous Metal States in Iron-Based Interface Superconductors”）為題🚣‍♀️，於2024年5月31日發表於學術期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）。

超導-絕緣體相變是量子相變的經典範例，距今已有30多年的研究歷史，是凝聚態物理領域的重要研究方向🦍👨🏼‍🎤，相關研究曾獲2015年凝聚態物理最高獎Buckley獎👩‍🚀。實驗研究表明，在超導-絕緣體相變過程中，除超導態和絕緣態之外，可能存在著第三種量子基態——玻色反常金屬態（亦被稱為量子金屬態）。在過去的30多年中，科研工作者對多種二維超導體展開研究，探索玻色反常金屬態的實驗證據。然而🏋️‍♀️，二維反常金屬態的物理起源仍是未解之謎。

王健課題組與合作者在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🧗‍♂️🤷🏿，包括與電子科技大學李言榮研究組等合作在高溫超導釔鋇銅氧（YBCO）多孔薄膜中證實了二維反常金屬態的存在，並揭示出這是一種由玻色子主導的新奇量子基態【Science 366, 1505—1509（2019）】；與薛其坤研究組等合作首次在分子束外延生長的高質量PdTe2超導薄膜中🫣，通過使用高質量濾波器排除外界高頻噪聲的幹擾，觀察到本征反常金屬態的實驗證據【Nano Letters 20, 5728—5734（2020）】；與意昂3体育官网林熙、中國石油大學邢穎等合作在過渡族金屬硫化物4Ha-TaSe2的薄層超導器件中👩🏼‍🌾，直接觀測到高頻噪聲誘導的非本征反常金屬態⛹🏿‍♀️，以及在更低溫更高磁場下，有效濾波後仍然存在的本征反常金屬態【Nano Letters 21, 7486—7494（2021）】等。

在本項研究工作中，王健課題組與合作者運用分子束外延生長技術❤️，在SrTiO3（STO）襯底上製備了低至單個原胞厚的高質量晶態FeSe薄膜，並開展了系統的極低溫強磁場電輸運實驗研究。FeSe/STO是一種二維界面高溫超導體系，其超導起始轉變溫度可以超過40K👨🏿，零電阻溫度通常在20K左右。研究發現🤹🏼‍♀️，在正常態電阻稍大的FeSe/STO體系中，隨著溫度不斷降低，體系的電阻會先降低👆🏽，然後逐漸飽和於一個非零數值（圖1a），同時體系的霍爾系數為零（圖1b），表明該金屬態具有與超導態類似的粒子空穴對稱性🙂，證明FeSe/STO體系中存在玻色反常金屬態。值得註意的是👩‍❤️‍💋‍👨，該反常金屬態的特征溫度接近20K，超過了所有前期報道中反常金屬態的特征溫度（圖1c）👨🏻‍🦼‍➡️。

圖1：（a）二維界面高溫超導FeSe/STO體系電阻隨溫度的變化曲線👍🏻，展示了特征溫度約為19.7 K的反常金屬行為🙅；（b）電阻與霍爾系數隨溫度的關系；（c）不同材料體系中，反常金屬特征溫度及其與超導起始轉變溫度比值的統計結果

為了進一步研究FeSe/STO體系中的玻色金屬態行為，研究團隊通過反應離子刻蝕技術🫱🏼，在該體系中製備了周期性的孔洞陣列，形成了二維約瑟夫森結陣列結構🚵🏿。通過增加孔洞的刻蝕時間，FeSe/STO約瑟夫森結陣列中的超導島會逐漸縮小，超導島之間的結電阻會增加，體系的正常態電阻也隨之增加👨‍❤️‍💋‍👨。研究發現，在210s刻蝕的FeSe/STO多孔薄膜中，反常金屬態的特征溫度約為0.4K，相比於未打孔的反常金屬特征溫度顯著降低🧑‍💼。同時，在FeSe/STO多孔薄膜的反常金屬態的溫區中🥟，磁阻數據表現出了周期為h/2e的庫珀對的量子振蕩，揭示了反常金屬態的玻色本質🏊🏿‍♀️。

此外👮🏿‍♀️👃🏼，在晶態未打孔和孔洞陣列調控的FeSe/STO體系中，研究團隊還在超導轉變溫度以下🤴，觀測到了電阻隨溫度的線性依賴關系（圖2），與表現出非費米液體行為的奇異金屬態的特征相似。在FeSe/STO體系中，該線性電阻的斜率，顯著大於超導轉變溫度之上由費米子主導的奇異金屬態，且在該線性電阻行為的溫度區間內，實驗同時觀測到了h/2e的量子振蕩、霍爾系數明顯抑製等特征。因此✋🏽，超導轉變溫度以下出現的這種電阻隨溫度的線性依賴行為揭示出FeSe/STO體系中存在玻色型奇異金屬態😬。

圖2：晶態未打孔（a）與孔洞陣列調控（b）的FeSe/STO體系中👯，電阻隨溫度的線性依賴關系，如黑色虛線所示

在此基礎上🦹🏿‍♀️，研究團隊提出了零磁場下反常金屬態的微觀理論模型。模型主要基於二維超導體系中磁通渦旋的量子隧穿過程，以及與費米子的耦合給磁通渦旋運動帶來的耗散作用（耗散強度反比於體系的平均結電阻，也可以理解為反比於樣品的正常態電阻），進而給出玻色反常金屬態的電輸運特征👧🏼。該模型能夠實現對玻色金屬態電阻-溫度曲線的定量擬合（圖3b）🧗‍♀️🛻，以及對玻色金屬態隨體系正常態電阻演化規律的定性描述（圖3c）。因此，該項工作不僅揭示出FeSe/STO體系中的高溫反常金屬態🤹🏼‍♂️，為反常金屬的相關實驗研究提供了重要的平臺👨🏼‍💻，而且通過實驗與理論的結合，很好地描述了零磁場下玻色量子金屬態的演化規律，為理解玻色反常金屬態的物理起源開辟了重要的途徑。

圖3：（a）磁通渦旋動力學示意圖；（b）反常金屬電阻溫度曲線及相應的理論擬合曲線；（c）不同樣品中👵🏿，反常金屬特征溫度和超導起始轉變溫度的比值♤，與樣品正常態電阻的關系😕👮‍♂️；（d）不同耗散強度下模擬得到的電阻溫度理論曲線

該工作中，意昂3体育官网與賓夕法尼亞州立大學聯合培養博士生李亞楠（已畢業），劉海文🧓🏿，意昂3体育官网物理學院量子材料科學中心季浩然博士為本文的共同第一作者4️⃣，王健和劉易為共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、北京市自然科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金項目、季華實驗室、北京凝聚態物理國家研究中心、北京市科協青年人才托舉工程📽、中央高校基本科研基金、中國人民大學科學研究基金的支持。