上海學(xué)院化學(xué)大學(xué)量子材料科學(xué)中心王健院長課題組與合作者近期在分子束外延生長的高質(zhì)量晶態(tài)二碲化鈀（PdTe2）超導(dǎo)薄膜中觀測到了平行磁場下的量子格里菲斯奇異性。2021年9月24日，相關(guān)研究成果以《二維晶態(tài)超導(dǎo)體中的平行場量子格里菲斯奇異性》（ofin-planeintwo-）為題，在線發(fā)表于《物理評論快報》（）。
超導(dǎo)-絕緣體/金屬相變是量子相變的精典范例，至今已有30多年的研究歷史。作為一種新奇的超導(dǎo)-金屬相變現(xiàn)象，量子格里菲斯奇異性闡明了滲碳無序在量子相變中的重要作用。2015年，上海學(xué)院化學(xué)大學(xué)量子材料科學(xué)中心王健院士課題組與合作者在三個原子層厚的鎵（Ga）超導(dǎo)薄膜中發(fā)覺量子格里菲斯奇異性，其重要特點之一是動力學(xué)臨界指數(shù)在相變臨界點的發(fā)散行為【350,542(2015)】。隨即，垂直磁場下的量子格里菲斯奇異性相繼在其他二維超導(dǎo)材料中被觀測到【Phys.Rev.B94,(2016)；NanoLett.17,6802(2017)；Nat..10,3633(2019)】。理論上，量子格里菲斯奇異性的化學(xué)機制與磁路的作用緊密相關(guān)，但是該性質(zhì)能夠在無磁路情形下存在，仍是一個未解之謎。
近來，王健院長課題組與謝心澄教授、林熙研究員，及中國人民學(xué)院劉易副研究員、北京師范學(xué)院短發(fā)文研究員、清華學(xué)院薛其坤教授和王立莉副研究員、中國石油學(xué)院（南京）邢穎副院長等合作，在分子束外延生長的高質(zhì)量晶態(tài)二碲化鈀（PdTe2）超導(dǎo)薄膜中觀測到了平行磁場下的量子格里菲斯奇異性。聯(lián)合研究團(tuán)隊系統(tǒng)地實驗研究了四個原胞層厚（約2nm）的PdTe2薄膜的超導(dǎo)-金屬相變行為，在垂直和平行磁場下均觀測到不同水溫下的磁阻曲線交疊于一個區(qū)域。對上述實驗結(jié)果進(jìn)行標(biāo)度理論剖析，表明四層PdTe2薄膜在垂直和平行磁場下的臨界指數(shù)均隨著磁場的降低而降低，直到發(fā)散——這是量子格里菲斯奇異性的典型特點。理論覺得，量子格里菲斯相的產(chǎn)生伴隨著從磁路條紋到鐵損玻璃相的轉(zhuǎn)變；而在平行磁場下，鐵損未能產(chǎn)生，因而平行場量子格里菲斯奇異性的發(fā)覺闡明了一種與磁路無關(guān)的全新的量子相變化學(xué)機制。當(dāng)薄膜長度降低到六層時，量子格里菲斯奇異性在垂直磁場下早已消失，但在平行磁場下仍舊存在。六層PdTe2薄膜在不同的磁場方向下表現(xiàn)出的不同量子相變行為，進(jìn)一步證明了垂直和平行磁場下量子格里菲斯奇異性的微觀過程存在差別。
研究表明量子物理與生物的撞擊，PdTe2超導(dǎo)薄膜是一種具有強載流子軌道耦合的第二類伊辛超導(dǎo)體【NanoLett.20,5728(2020)】，面內(nèi)臨界場的大小取決于等效塞曼型載流子軌道耦合的硬度。在薄膜的不同區(qū)域中，因為無序程度略有不同，其臨界場大小也有所差別。當(dāng)平行磁場的硬度接近體系的平行臨界場時，無序更強的區(qū)域因為超導(dǎo)更容易被破壞而產(chǎn)生正常態(tài)量子物理與生物的撞擊，而無序較弱的區(qū)域仍舊保持超導(dǎo)態(tài)。這些局域的超導(dǎo)區(qū)域被稱為稀有區(qū)域。平行磁場下稀有區(qū)域的產(chǎn)生最終造成了量子格里菲斯奇異性的形成。
據(jù)悉，聯(lián)合研究團(tuán)隊還細(xì)致考慮了無關(guān)熱阻對標(biāo)度理論的影響，提出一種帶有無關(guān)修正項的直接激活標(biāo)度剖析方式（所謂的無關(guān)修正項，是指在有限氣溫下研究絕對零度發(fā)生的量子相變時所必須考慮的修正項）?；谏鲜鲂吕碚摚瑢w系的相邊界進(jìn)行了擬合，并對高溫下的磁阻曲線做了修正，因而可以舉辦直接的激活標(biāo)度剖析。這一方式相比于前期工作中的間接激活標(biāo)度剖析而言，是一步重要的突破，為證明量子格里菲斯奇異性的存在提供了新的證據(jù)。
垂直磁場作為調(diào)控二維超導(dǎo)（尤其是二維晶態(tài)超導(dǎo)）量子相變的有效手段，已得到國際學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)可和關(guān)注。但是，平行磁場下的量子相變行為卻鮮有研究報導(dǎo)。平行磁場下量子格里菲斯奇異性的發(fā)覺闡明了在無磁路作用下一種新的微觀機制，改變了人們對于磁場調(diào)控的量子相變中物理規(guī)律的慣有理解，為研究平行磁場下的量子相變開辟了思路。該工作將會迸發(fā)更多關(guān)于平行磁場下超導(dǎo)-絕緣體/金屬相變的深入討論，從而促使量子相變新數(shù)學(xué)圖象與模型的構(gòu)建。
劉易和成都學(xué)院化學(xué)大學(xué)量子材料科學(xué)中心2020級博士研究生齊世超為共同第一作者，王健和短發(fā)文為共同通信作者。上述研究工作得到國家重點研制計劃、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、中國科大學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）和中國博士后科學(xué)基金等支持。
（a）標(biāo)準(zhǔn)四級法檢測平行磁場下的PdTe2薄膜電輸運性質(zhì)示意圖；（b）平行磁場下不同水溫的阻值隨磁場的依賴關(guān)系；（c）平行磁場下量子格里菲斯奇異性的主要實驗證據(jù)，即臨界指數(shù)的發(fā)散行為；（d）帶有無關(guān)修正項的直接激活標(biāo)度剖析結(jié)果，即給出量子格里菲斯奇異性的直接證據(jù)
平行磁場下的量子格里菲斯奇異性