PRL重磅：混合約瑟夫森陣列實現反常金屬到常規金屬的連續轉變

二維材料中量子相變的研究是凝聚態物理學的前沿核心。這些相變在零溫度下發生，由量子漲落而非熱能驅動，往往揭示出挑戰傳統理解的奇異物態。在這一領域中，最富挑戰性且持續存在的難題之一是超導體-絕緣體轉變（SIT）的本質，以及經常中斷這一轉變的意外中間相：反常金屬相（Anomalous Metal，簡稱 AM 相）。

發表在PRL上題為《Voltage-Tuned Anomalous-Metal to Metal Transition in Hybrid Josephson Junction Arrays》的論文提供了一個關鍵的實驗突破，它展示了對控制這一復雜相圖的關鍵參數的前所未有的、獨立的靜電調控。通過設計一種新穎的混合器件，研究人員不僅證實了反常金屬相的存在，而且還描繪了它連續演化為常規金屬相的過程，為其潛在的物理性質提供了新的線索。

混合約瑟夫森結陣列作為量子平臺

傳統的二維超導薄膜面臨一個主要的限制：驅動 SIT 的關鍵參數——即超導島之間的約瑟夫森耦合能 (EJ) 和島的充電能 (EC)——往往與無序度或薄膜厚度這單一的調控參數內在地關聯。

這項研究的創新在于使用了混合半導體-超導體（InAs/Al）島嶼陣列，并輔以精密的雙層靜電柵極結構。

1. 框架柵極 (VFG)： 該柵極放置在 Al 島之間的狹窄連接處。調節 VFG 可控制下層半導體連接處的載流子密度，從而獨立地調控島間的約瑟夫森耦合 (EJ)。
2. 頂柵極 (VTG)： 這一全局柵極主要控制島嶼周圍半導體區域的電子特性，間接影響鄰近效應誘導的超導電性以及島嶼的充電能 (EC)。

這種雙柵極結構允許對相空間進行全面、多維度的探索，從而可以在單個器件中觀測到超導體-絕緣體、超導體-金屬和金屬-絕緣體等多種相變。

揭示反常金屬相

• 低溫電阻率飽和的特征

SIT 的經典理論預測，隨著 EC/EJ 的比值超過某一臨界值，系統將從零電阻的超導態直接轉變為無限電阻的絕緣態。然而，在從無序薄膜到顆粒系統的各種材料中觀察到的實驗現實是，經常會出現反常金屬 (AM) 相作為中間態。

AM 相的決定性特征，也是在本混合陣列中被有力證實的特征，是其低溫電阻率 (ρ) 飽和到一個有限且非零的值。這是高度反常的：

• 超導體在溫度 (T) 趨于零時，ρ 應趨于零。
• 絕緣體在 T 趨于零時，ρ 應趨于無窮大（或指數式增長）。
• 因此，AM 相代表一種“失敗的超導體”，它盡管形成了庫珀對和局部超導性，但未能建立全局的相位連貫性，導致在極低溫下出現有限電阻平臺。
• 電壓調控的相變

通過系統地降低框架柵極電壓 (VFG)，研究人員削弱了島間的耦合 (EJ)，使系統偏離了完全超導態 (ρ=0)。系統依次經歷了以下轉變：

1. 超導體 (S) → 反常金屬 (AM)： 隨著 VFG 降低，全局超導態突然終止，取而代之的是 AM 相，其中 ρ 飽和到一個有限值。值得注意的是，這種飽和電阻率可以在三個數量級的范圍內連續調控，圍繞著超導電阻量子 (h/4e2) 附近。
2. 反常金屬 (AM) → 絕緣體 (I)： 進一步降低 VFG 最終將系統推向絕緣態，其中 ρ 隨著 T→0 開始急劇增加。

反常金屬到常規金屬的跨越

這項工作最重要的發現是，通過使用頂柵極電壓 (VTG)，實現了 AM 相連續演化為常規金屬相的實驗證明。

AM 相被認為源于庫珀對波函數的強量子相位漲落。盡管局部庫珀對已經形成，但系統的能量被量子漲落主導，這些漲落阻止了相鄰島嶼之間的相位鎖定，導致即使在 T=0 時也存在耗散。

通過調節 VTG 以減弱鄰近效應誘導的超導電性，研究人員有效地抑制了強量子漲落的源頭（即局域庫珀對）。隨著島嶼上的超導序參量減弱，載流子越來越像普通電子，而不是漲落的庫珀對。這種調控導致了一個連續的跨越：AM 相——一個由量子相位漲落主導的物態——平滑地過渡到了常規金屬相 (CM)，后者表現出標準的類 Drude 輸運特性。

這種連續可調性提供了令人信服的證據，表明 AM 相并非一個截然不同、從根本上是新的量子態，而是在 EJ/EC 相圖中涌現出的一個階段，其形成受到了預先形成的庫珀對及其量子漲落的至關重要影響。

意義和未來方向

這項論文中展示的基于電壓的精確控制，代表了該領域的一個重大飛躍：

• 解開 AM 迷局：通過繪制 AM 到 CM 的連續轉變，該工作有力地支持了 AM 是一種由未凝聚、高度移動的玻色子載流子（庫珀對）主導的態的觀點，其中載流子的相位連貫性被量子漲落所破壞。
• 量子信息平臺：混合超導體-半導體陣列是拓撲量子計算的基礎。精確調控超導、金屬和絕緣相之間微妙平衡的能力——尤其是 AM 態——對于理解和減輕這些器件中的退相干和相位噪聲至關重要。
• 控制量子漲落：實驗揭示了 AM 如何被磁挫折所抑制：施加垂直磁場引入了溫度依賴性的電阻率，這進一步證實了 AM 相中零溫飽和是一種獨特的量子現象。

總之，對混合約瑟夫森結陣列中電壓調控的反常金屬到常規金屬轉變的研究，提供了人們長期尋求的實驗手段來剖析奇特的反常金屬的本質。這項工作鞏固了 AM 相作為一個由庫珀對的宏觀相位漲落主導的量子臨界相的地位，使該領域離全面理解二維超導的量子相圖又邁進了一步。