王健研究组与合作者在二维晶态超导体中观测到平行场量子格里菲斯奇异性

新闻封面图：平行磁场下的量子格里菲斯奇异性

超导–绝缘体/金属相变是量子相变的经典范例，至今已有三十多年的研究历史。作为一种新奇的超导–金属相变现象，量子格里菲斯奇异性揭示了淬火无序在量子相变中的重要作用。2015年北京大学王健研究组与合作者在三个原子层厚的Ga超导薄膜中发现量子格里菲斯奇异性[1]，其重要特征之一是动力学临界指数在相变临界点的发散行为。随后，垂直磁场下的量子格里菲斯奇异性在其它二维超导材料[2-4]中也陆续被观测到。理论认为，量子格里菲斯奇异性的物理机制与磁通的作用紧密相关。然而，量子格里菲斯奇异性是否能够在无磁通情形下存在仍是一个未解之谜。

最近，北京大学物理学院量子材料科学中心王健教授、谢心澄院士、林熙研究员与中国人民大学物理学系刘易副研究员、北京师范大学物理学系刘海文研究员、清华大学物理系薛其坤院士、王立莉副研究员、中国石油大学（北京）新能源与材料学院邢颖副教授等合作，在分子束外延生长的高质量晶态PdTe₂超导薄膜中观测到了平行磁场下的量子格里菲斯奇异性。该研究团队系统地观测了四个原胞层厚（约2纳米）的PdTe₂薄膜的超导–金属相变行为，在垂直和平行磁场下均观测到不同温度下的磁阻曲线交叠于一个区域。对上述实验结果进行标度理论分析表明，四层PdTe₂薄膜在垂直和平行磁场下的临界指数均随着磁场的增加而增加直至发散，是量子格里菲斯奇异性的典型特征。理论认为量子格里菲斯相的形成伴随着从磁通格子到磁通玻璃相的转变。而在平行磁场下，磁通无法形成，因此平行场量子格里菲斯奇异性的发现揭示了一种与磁通无关的全新的量子相变物理机制。当薄膜厚度增加到六层时，量子格里菲斯奇异性在垂直磁场下已经消失，但在平行磁场下依然存在。六层PdTe₂薄膜在不同的磁场方向下表现出的不同量子相变行为进一步证明了垂直和平行磁场下量子格里菲斯奇异性的微观过程存在差异。

研究表明PdTe₂超导薄膜是一种具有强自旋轨道耦合的第二类伊辛超导体[5]，面内临界场的大小取决于等效塞曼型自旋轨道耦合的强度。在薄膜的不同区域中，由于无序程度略有不同，其临界场大小也有所差异。当平行磁场的强度接近体系的平行临界场时，无序更强的区域由于超导更容易被破坏而形成正常态，而无序较弱的区域依然保持超导态。这种局域的超导区域被称为稀有区域。平行磁场下稀有区域的形成最终导致了量子格里菲斯奇异性的产生。

此外，研究团队还提出了一种带有无关修正项的直接激活标度分析方法，细致考虑了无关参量对标度理论的影响。所谓的无关修正项，是指在有限温度下研究绝对零度发生的量子相变时所必须考虑的修正项。基于上述新理论，研究团队对体系的相边界进行了拟合，并对低温下的磁阻曲线进行修正，从而可以开展直接的激活标度分析。这一方法相比于前期工作中的间接激活标度分析而言，是一个重要的进步，为证明量子格里菲斯奇异性的存在提供了新的证据。

平行磁场下量子格里菲斯奇异性的发现揭示了在无磁通作用下的一种新的微观机制，改变了对于磁场调控的量子相变中物理规律的原有理解，为研究平行磁场下的量子相变开辟了新的思路。该工作将会激发更多关于平行磁场下超导–金属相变的深入讨论，进而推动关于量子相变的新物理图像与模型的建立。

该研究成果以“Observation of In-Plane Quantum Griffiths Singularity in Two-Dimensional Crystalline Superconductors”（二维晶态超导体中的平行场量子格里菲斯奇异性）为题于2021年9月24日在线发表在学术期刊《物理评论快报》（《Physical Review Letters》）上。北京大学物理学院量子材料科学中心王健教授和北京师范大学物理学系刘海文研究员为共同通讯作者，中国人民大学物理学系刘易副研究员和北京大学物理学院量子材料科学中心博士生齐世超为共同第一作者。这一工作的主要合作者还包括北京大学谢心澄院士、林熙研究员，清华大学薛其坤院士、王立莉副研究员和中国石油大学（北京）邢颖副教授等。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中科院卓越创新中心和中国博士后科学基金的支持。

图：(a) 标准四级法测量平行磁场下的PdTe₂薄膜电输运性质示意图；(b) 平行磁场下不同温度的电阻随磁场的依赖关系；(c) 平行磁场下量子格里菲斯奇异性的主要实验证据：临界指数的发散行为；(d) 带有无关修正项的直接激活标度分析结果，给出量子格里菲斯奇异性的直接证据。

 

参考文献：

[1] Y. Xing et al., Science 350, 542-545 (2015).

[2] S. C. Shen et al., Phys. Rev. B 94, 144517 (2016).

[3] Y. Xing et al., Nano Lett. 17, 6802-6807 (2017).

[4] Y. Liu et al., Nat. Commun. 10, 3633 (2019).

[5] Y. Liu et al., Nano Lett. 20, 5728-5734 (2020).

 

论文链接：Y. Liu, S. C. Qi, J. C. Fang, J. Sun, C. Liu, Y. Z. Liu, J. J. Qi, Y. Xing, H. W. Liu, X. Lin, L. L. Wang, Q.-K. Xue, X. C. Xie, J. Wang, Phys. Rev. Lett.127, 137001 (2021). https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.137001