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本發(fā)明公開了一種隧道結單元及磁隨機存儲器，包括依次連接 的第一電極、第一自由層、非磁性絕緣層、釘扎層和第二電極，還包 括連接在第一電極與第一自由層之間的第二自由層，第二自由層的橫 截面積小于自由層的橫截面積；第二自由層和第一自由層一起形成了 復合自由層結構；第二自由層用于聚集電流，使得第二自由層處的電 流密度大于第一自由層處的電流密度，從而使得第二自由層的磁矩先 于第一自由層發(fā)生翻轉；由于第二自由層和第一自由層之間的

本發(fā)明公開了一種隧道結單元及磁隨機存儲器，包括依次連接 的第一電極、第一自由層、非磁性絕緣層、釘扎層和第二電極，還包 括連接在第一電極與第一自由層之間的第二自由層，第二自由層的橫 截面積小于自由層的橫截面積；第二自由層和第一自由層一起形成了 復合自由層結構；第二自由層用于聚集電流，使得第二自由層處的電 流密度大于第一自由層處的電流密度，從而使得第二自由層的磁矩先 于第一自由層發(fā)生翻轉；由于第二自由層和第一自由層之間的

衛(wèi)星在軌運行和返回過程中需經(jīng)歷極端高低溫環(huán)境，構件尺寸的穩(wěn)定是保證衛(wèi)星在軌高精度、返回高安全、任務高可靠的關鍵。針對衛(wèi)星搭載的某寬帶微波載荷與衛(wèi)星本體材料之間熱膨脹系數(shù)不匹配極易導致的載荷在軌及返回過程中載荷接收精度不穩(wěn)定、信息傳輸不連續(xù)等問題。我校陳駿教授團隊以原創(chuàng)的負熱膨脹技術研發(fā)了具有輕質、熱膨脹系數(shù)低、力學性能優(yōu)異、尺寸穩(wěn)定性好的高性能低膨脹鋁基復合材料，并研制了系列關鍵連接內置件、環(huán)件等高性能低膨脹構件，首次將負熱膨脹技術應用到我國的衛(wèi)星上，填補了高性能低膨脹金屬構件在工程應用領域的空白。該技術使得某寬帶微波載荷與衛(wèi)星本體之間熱膨脹匹配性增強、界面應力大幅度減小，保證了衛(wèi)星在軌與返回過程中信號高精度傳輸與接收，助力衛(wèi)星成功返回。 圖1 實踐十九號衛(wèi)星成功返回（圖片來源國家航天局） 圖2 高性能低膨脹鋁基復合材料及構件應用于全球首顆可重復使用返回式技術試驗衛(wèi)星（圖片來源央視新聞頻道）

傳統(tǒng)的量子振蕩理論，包括考慮了塞曼劈裂的SdH振蕩，都無法解釋最新發(fā)現(xiàn)的對數(shù)周期現(xiàn)象。這預示著該工作為量子振蕩家族增加了一個新的成員。此外，相對于已知的量子極限以外的量子態(tài)，例如分數(shù)量子霍爾態(tài)、魏格納晶體以及密度波相變等，該研究同時揭示了一種量子極限之外的新型量子態(tài)。? 進一步分析表明，這一新奇發(fā)現(xiàn)中磁電阻振蕩的對數(shù)周期性實質上是離散標度不變性的明顯特征。標度不變性指體系在任何尺度下都是自相似的，體系不存在特定的特征尺度。離散標度不變性是連續(xù)標度不變性破缺的結果，其顯著特征是體系的特征尺度滿足等比數(shù)列。對數(shù)周期振蕩是離散標度不變性的典型特征，這一特征在動物學、金融危機、地震、湍流等多種研究領域中都有所體現(xiàn)。在經(jīng)典物理體系里，離散標度不變性存在于非線性方程導致的分形結構中。譬如著名數(shù)學物理學家龐加萊提出的龐加萊圓盤模型就是一種滿足自相似性的分形結構，參見荷蘭著名畫家埃舍爾的畫作Circle Limit III （圖2A）。對于量子體系，目前已知的只有Efimov三體束縛態(tài)表現(xiàn)出離散標度不變的行為。近年來，Efimov三體束縛態(tài)在冷原子實驗中得到了觀測，進而激發(fā)了相關領域極大的研究熱情。

量子材料與量子相變是本世紀凝聚態(tài)物理與材料領域的研究熱點。量子相變與傳統(tǒng)的熱力學相變不同，是在絕對零度下調節(jié)非熱力學參量而發(fā)生的相變，相變點附近量子漲落而非熱漲落起了重要作用。作為量子相變的經(jīng)典范例，二維超導-絕緣體相變以及超導-金屬相變研究獲得了2015年美國凝聚態(tài)物理最高獎巴克利獎。在量子相變過程中，除超導基態(tài)和絕緣基態(tài)外，量子金屬態(tài)是否存在于二維超導體系一直是理論與實驗上爭論的焦點（Rev. Mod. Phys.91, 11002 (2019)）。根據(jù)安德森標度理論，由于量子干涉效應以及相位相干長度在零溫下發(fā)散的特性，載流子在趨于絕對零度時會表現(xiàn)出局域化效應，因此理論上不存在二維量子金屬基態(tài)。盡管實驗上在各種二維電子體系發(fā)現(xiàn)了量子金屬態(tài)的可能跡象，但受低臨界溫度的制約以及外界高頻噪聲的影響（Science Advances 5, 3826 (2019)），二維量子金屬態(tài)的存在與否仍存在著巨大爭議，是近三十年來國際學術界一直懸而未決的重要物理問題。 最近，北京大學物理學院量子材料中心王健教授、博雅博士后劉易與合作者在高溫超導納米多孔薄膜中首次完全證實了量子金屬態(tài)的存在。通過調節(jié)反應離子刻蝕的時間，研究團隊在高溫超導釔鋇銅氧（YBCO）多孔薄膜中實現(xiàn)了超導-量子金屬-絕緣體相變。量子金屬態(tài)存在的直接證據(jù)是體系的電阻隨著溫度降低表現(xiàn)出飽和特性，在高溫超導體YBCO薄膜中，該電阻飽和溫度高達5K，這一溫度相比于傳統(tǒng)超導體系提高了1-2個數(shù)量級，大大提升了量子金屬態(tài)的穩(wěn)定性和實驗結果的可信度。通過高頻濾波器極低溫對照實驗表明，是否添加濾波器對體系的電阻在低溫下的飽和規(guī)律沒有明顯的作用，有效地排除了外界高頻噪聲對實驗的影響，為量子金屬態(tài)的存在提供了可靠的實驗證據(jù)。實驗還揭示了量子金屬態(tài)的霍爾電阻為零歐姆，意味著量子金屬態(tài)具有與超導體類似的粒子空穴對稱性（particle-hole symmetry）。 此外，實驗表明量子金屬態(tài)在低溫下滿足歐姆定律且具有巨磁阻效應，這些發(fā)現(xiàn)也與理論上對量子金屬態(tài)的預期吻合。 研究團隊通過系統(tǒng)的極低溫電輸運測試發(fā)現(xiàn)，超導，金屬與絕緣這三個量子基態(tài)都有與庫珀電子對相關的h/2e周期的超導量子磁通振蕩，這表明量子金屬態(tài)與傳統(tǒng)金屬不同，是玻色金屬態(tài)，揭示了庫珀對玻色子對量子金屬態(tài)的形成起到了主導作用。（注：傳統(tǒng)金屬中導電是電子，也即費米子）實驗發(fā)現(xiàn)，對于超導態(tài)的樣品，量子振蕩振幅隨溫度的降低迅速增加而發(fā)散; 對于絕緣態(tài)的樣品，振幅隨溫度的降低先迅速增加然后在低溫下衰減; 而對于量子金屬態(tài)的樣品，振幅隨溫度的降低先迅速增加然后在低溫下飽和。進一步分析揭示出振蕩振幅飽和對應于相位相干長度飽和，是量子金屬形成的一種可能機制。有意思的是通過調控正常態(tài)電阻僅兩個數(shù)量級，量子振蕩振幅從超導態(tài)樣品到最絕緣的樣品變化了九個數(shù)量級，這意味著多孔高溫超導體系具備很好的相位相干調控性。 該工作于2019年11月14日在線發(fā)表于學術期刊《Science》上。（DOI: 10.1126/science.aax5798；https://science.sciencemag.org/content/early/2019/11/13/science.aax5798）。北京大學王健教授、布朗大學James M. Valles Jr 教授、電子科技大學熊杰教授是本文的共同通訊作者，電子科技大學博士生楊超和北京大學博士后劉易為文章共同第一作者，北京大學為第一通訊作者單位。這一工作的主要合作者還包括布朗大學Jimmy Xu教授，北京大學林熙研究員，北京師范大學劉海文研究員，清華大學姚宏教授，電子科技大學李言榮院士等。該工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中央高校基本科研業(yè)務費、量子物質科學協(xié)同創(chuàng)新中心、中科院卓越創(chuàng)新中心、低維物理國家重點實驗室開放基金、北京市自然科學基金、北京市交叉科學與技術基金、博士后科學基金等支持。 二維高溫超導體系中量子玻色金屬態(tài)的證實是王健研究組與合作者繼量子格里菲斯奇異性發(fā)現(xiàn)以來（Science 350, 509 (2015)); Nature Communications 10, 3633 (2019)），在二維超導量子相變領域的又一重要突破。該工作為國際上爭論了三十多年的量子金屬態(tài)的存在提供了有力的證據(jù)，并為研究量子金屬態(tài)提供了新思路。該工作也得到了美國科學院院士斯坦福大學Steven A. Kivelson教授的高度評價，評論文章發(fā)表在Journal Club for Condensed Matter Physics（凝聚態(tài)物理期刊俱樂部）上。Kivelson教授指出：“這一工作對量子材料的理解具有基礎性的重要意義”。圖一， 釔鋇銅氧（YBCO）納米多孔薄膜中的超導-量子金屬-絕緣體量子相變。(A)用多孔氧化鋁（AAO）模板蝕刻法制備YBCO納米多孔薄膜的工藝示意圖。(B) YBCO納米多孔薄膜掃描電鏡（SEM）圖像。(C) YBCO納米多孔薄膜的幾何結構示意圖。(D)不同刻蝕時間下YBCO納米多孔薄膜的電阻對溫度的依賴關系。超導態(tài)(SC)、反常金屬態(tài)(AM1)、過渡態(tài)(TS)和絕緣態(tài)(INS)四種典型薄膜的電阻溫度曲線用黑色表示。圖二,量子金屬態(tài)證據(jù)。(A)量子金屬態(tài)薄膜和超導薄膜的輸運曲線。其中低溫下電阻的飽和行為為量子金屬態(tài)的特征。(B) 量子金屬態(tài)薄膜極低溫輸運曲線。是否采用高頻濾波器并不改變量子金屬態(tài)飽和電阻的特征。插圖: 量子金屬態(tài)薄膜的I-V曲線，符合歐姆定律，亦為量子金屬態(tài)的證據(jù)。(C)典型量子金屬態(tài)薄膜的霍爾電阻和縱向電阻隨溫度的變化圖。霍爾電阻(Rxy)在低溫下趨于零，而縱向電阻不為零，表現(xiàn)出量子金屬態(tài)的特征。插圖: 量子金屬態(tài)薄膜不同溫度下的霍爾電阻(Rxy)。(D) 量子金屬態(tài)薄膜的巨磁阻效應，與理論上對量子金屬態(tài)的預期相符。圖三，庫柏對在量子相變過程中的相干性衍變 (A)超導態(tài)、(B) 量子金屬態(tài)、(C)絕緣態(tài)的磁導振蕩圖。 (D) 不同溫度下，所有YBCO薄膜的磁導振蕩的振幅。對于量子金屬態(tài)薄膜，磁導振蕩的振幅隨溫度的降低在5 K左右而飽和。而超導態(tài)薄膜磁導振蕩的振幅在低溫下發(fā)散，絕緣態(tài)薄膜磁導振蕩的振幅隨著溫度降低先增加后減小。(E) 通過相位相干的近似模型，計算得到量子金屬態(tài)的相位相干長度在低溫下飽和。揭示了量子金屬形成的一種可能機制。

實驗裝置簡圖，原子能級以及與原子相互作用的光脈沖序列復旦大學物理學系精密測量物理與量子光學團隊開展國際合作研究，在突破標準量子極限的精密測量研究中取得系列重要進展。團隊利用預測和回溯測量的方法，實現(xiàn)了迄今含原子數(shù)最多的原子自旋壓縮以及突

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