北京大學(xué)量子材料中心王健研究組在硅襯底上外延生長了高質(zhì)量超薄晶態(tài)鉛膜，與北京大學(xué)謝心澄院士、林熙研究員和北京師范大學(xué)劉海文研究員合作在極低溫下觀測到反常量子格里菲斯奇異性，并給出理論解釋。這一發(fā)現(xiàn)揭示了超導(dǎo)漲落與自旋軌道耦合效應(yīng)對于量子相變的重要影響，揭示出量子格里菲斯奇異性在二維超導(dǎo)金屬相變中的普適性。

超導(dǎo)-絕緣體與超導(dǎo)-金屬相變是量子相變的經(jīng)典范例，已有三十余年的研究歷史。所謂量子相變，是指在絕對零度下系統(tǒng)處于量子基態(tài)時隨著參數(shù)變化而發(fā)生的相變。近年來，隨著薄膜和器件制備工藝的提高，二維晶態(tài)超導(dǎo)體系逐漸成為了研究量子相變的理想平臺，得到了國際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。王健研究組與謝心澄院士、馬旭村研究員、林熙研究員、薛其坤院士等合作者在前期二維超導(dǎo)的相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)-金屬相變中的量子格里菲斯奇異性 (Science 350, 542 (2015)), 并被同期perspective評論文章Science 350, 509 (2015)專題報道。隨后被液態(tài)柵極技術(shù)發(fā)明人東京大學(xué)Iwasa教授的綜述文章Nature Reviews Materials 2, 16094 (2016)譽為二維晶態(tài)超導(dǎo)中三個最重要的主題之一。量子格里菲斯奇異性的研究表明，無序可以定性地改變量子相變的臨界行為，其主要特征是趨于量子臨界點時，二維超導(dǎo)體系的動力學(xué)臨界指數(shù)發(fā)散。

最近，王健研究組通過超高真空分子束外延生長技術(shù)在硅襯底上制備出宏觀尺度高質(zhì)量晶態(tài)薄膜，并實現(xiàn)了厚度為亞納米尺度的原子層級可控生長。在此基礎(chǔ)上，王健教授與謝心澄院士、林熙研究員、劉海文研究員等人合作，在4個原子層厚（約1納米）的晶態(tài)鉛膜中發(fā)現(xiàn)了一種具有反常相邊界的超導(dǎo)-金屬相變，并揭示了其中的反常量子格里菲斯奇異性。根據(jù)平均場理論，超導(dǎo)體的上臨界場會隨著溫度降低而逐漸增加。然而，系統(tǒng)的極低溫實驗表明，4個原子層厚的鉛膜的相邊界在低溫下具有非常新奇的反常特性：隨著溫度降低，鉛膜的上臨界場（onset Bc2）在低溫下也逐漸降低。沿著反常相邊界對鉛膜的磁阻曲線進行標(biāo)度理論分析發(fā)現(xiàn)，在趨近于量子臨界點附近臨界指數(shù)隨著磁場減小而迅速增大直至發(fā)散，該現(xiàn)象與前期實驗中發(fā)現(xiàn)的臨界指數(shù)隨著磁場增大而發(fā)散的行為不同，故稱為反常量子格里菲斯奇異性。考慮到這類二維超導(dǎo)體系具有很強的自旋軌道耦合，研究團隊基于超導(dǎo)漲落理論發(fā)展了一套新的唯象理論模型，定量地解釋了這一反常相邊界。在自旋軌道耦合與超導(dǎo)漲落效應(yīng)的共同作用下，超導(dǎo)-金屬相邊界偏離平均場理論而向外突出，并在反常相邊界處呈現(xiàn)出量子格里菲斯奇異性。這一新奇量子相變的發(fā)現(xiàn)，證實了量子格里菲斯奇異性在不同相邊界的超導(dǎo)-金屬相變中具有普適性，并進一步揭示出自旋軌道耦合與超導(dǎo)漲落效應(yīng)對于超導(dǎo)-金屬相變的影響，為深入理解二維晶態(tài)超導(dǎo)體中的量子相變現(xiàn)象提供了一個新的視角。

圖1 四個原子層厚晶態(tài)鉛膜中的反常量子格里菲斯奇異性。(a) 鉛膜在零磁場下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變曲線。插圖是輸運測量結(jié)構(gòu)示意圖。(b) 在0到5特斯拉不同外加磁場下鉛膜電阻隨溫度的變化曲線。 (c) 鉛膜在低溫下表現(xiàn)出反常相邊界，與超導(dǎo)漲落唯象理論模型一致。 (d) 臨界指數(shù)隨著磁場減小而迅速增大，直至發(fā)散，是反常量子格里菲斯奇異性的特征。圖2 反常量子格里菲斯奇異性相圖示意圖。在自旋軌道耦合和超導(dǎo)漲落的作用下，平均場理論的相邊界（藍(lán)色虛線）向外突出形成新的相邊界（紅色實線）。當(dāng)溫度低于T^'時，紅色實線代表反常相邊界。沿著反常相邊界趨于無限隨機量子臨界點B_c^*可以觀測到反常量子格里菲斯奇異性。

該工作于2019年8月12日發(fā)表于著名學(xué)術(shù)期刊《自然?通訊》。(Nature Communications 10, 3633 (2019) DOI: 10.1038/s41467-019-11607-w): 

https://www.nature.com/articles/s41467-019-11607-w

北京大學(xué)王健研究組博雅博士后劉易和研究生王子喬為文章共同第一作者，北京大學(xué)王健教授和北京師范大學(xué)劉海文研究員是本文的共同通訊作者。其余作者包括謝心澄院士，林熙研究員，以及王健研究組本科生唐鉞、博士生劉超飛、陳澄、邢穎（已畢業(yè)）、博士后王慶艷（已出站），和林熙組博士生閃普甲。

該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、中科院卓越創(chuàng)新中心、北京市自然科學(xué)基金、博士后科學(xué)基金、中央高校基本科研基金的支持。