PRL重磅：混合約瑟夫森陣列實(shí)現(xiàn)反常金屬到常規(guī)金屬的連續(xù)轉(zhuǎn)變

二維材料中量子相變的研究是凝聚態(tài)物理學(xué)的前沿核心。這些相變?cè)诹銣囟认掳l(fā)生，由量子漲落而非熱能驅(qū)動(dòng)，往往揭示出挑戰(zhàn)傳統(tǒng)理解的奇異物態(tài)。在這一領(lǐng)域中，最富挑戰(zhàn)性且持續(xù)存在的難題之一是超導(dǎo)體-絕緣體轉(zhuǎn)變（SIT）的本質(zhì)，以及經(jīng)常中斷這一轉(zhuǎn)變的意外中間相：反常金屬相（Anomalous Metal，簡(jiǎn)稱(chēng) AM 相）。

發(fā)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(gè)關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)突破，它展示了對(duì)控制這一復(fù)雜相圖的關(guān)鍵參數(shù)的前所未有的、獨(dú)立的靜電調(diào)控。通過(guò)設(shè)計(jì)一種新穎的混合器件，研究人員不僅證實(shí)了反常金屬相的存在，而且還描繪了它連續(xù)演化為常規(guī)金屬相的過(guò)程，為其潛在的物理性質(zhì)提供了新的線(xiàn)索。

混合約瑟夫森結(jié)陣列作為量子平臺(tái)

傳統(tǒng)的二維超導(dǎo)薄膜面臨一個(gè)主要的限制：驅(qū)動(dòng) SIT 的關(guān)鍵參數(shù)——即超導(dǎo)島之間的約瑟夫森耦合能 (EJ) 和島的充電能 (EC)——往往與無(wú)序度或薄膜厚度這單一的調(diào)控參數(shù)內(nèi)在地關(guān)聯(lián)。

這項(xiàng)研究的創(chuàng)新在于使用了混合半導(dǎo)體-超導(dǎo)體（InAs/Al）島嶼陣列，并輔以精密的雙層靜電柵極結(jié)構(gòu)。

1. 框架柵極 (VFG)： 該柵極放置在 Al 島之間的狹窄連接處。調(diào)節(jié) VFG 可控制下層半導(dǎo)體連接處的載流子密度，從而獨(dú)立地調(diào)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?chē)雽?dǎo)體區(qū)域的電子特性，間接影響鄰近效應(yīng)誘導(dǎo)的超導(dǎo)電性以及島嶼的充電能 (EC)。

這種雙柵極結(jié)構(gòu)允許對(duì)相空間進(jìn)行全面、多維度的探索，從而可以在單個(gè)器件中觀測(cè)到超導(dǎo)體-絕緣體、超導(dǎo)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(jīng)典理論預(yù)測(cè)，隨著 EC/EJ 的比值超過(guò)某一臨界值，系統(tǒng)將從零電阻的超導(dǎo)態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)限電阻的絕緣態(tài)。然而，在從無(wú)序薄膜到顆粒系統(tǒng)的各種材料中觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)實(shí)是，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)反常金屬 (AM) 相作為中間態(tài)。

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

• 超導(dǎo)體在溫度 (T) 趨于零時(shí)，ρ 應(yīng)趨于零。
• 絕緣體在 T 趨于零時(shí)，ρ 應(yīng)趨于無(wú)窮大（或指數(shù)式增長(zhǎng)）。
• 因此，AM 相代表一種“失敗的超導(dǎo)體”，它盡管形成了庫(kù)珀對(duì)和局部超導(dǎo)性，但未能建立全局的相位連貫性，導(dǎo)致在極低溫下出現(xiàn)有限電阻平臺(tái)。
• 電壓調(diào)控的相變

通過(guò)系統(tǒng)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(tǒng)偏離了完全超導(dǎo)態(tài) (ρ=0)。系統(tǒng)依次經(jīng)歷了以下轉(zhuǎn)變：

1. 超導(dǎo)體 (S) → 反常金屬 (AM)： 隨著 VFG 降低，全局超導(dǎo)態(tài)突然終止，取而代之的是 AM 相，其中 ρ 飽和到一個(gè)有限值。值得注意的是，這種飽和電阻率可以在三個(gè)數(shù)量級(jí)的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)控，圍繞著超導(dǎo)電阻量子 (h/4e2) 附近。
2. 反常金屬 (AM) → 絕緣體 (I)： 進(jìn)一步降低 VFG 最終將系統(tǒng)推向絕緣態(tài)，其中 ρ 隨著 T→0 開(kāi)始急劇增加。

反常金屬到常規(guī)金屬的跨越

這項(xiàng)工作最重要的發(fā)現(xiàn)是，通過(guò)使用頂柵極電壓 (VTG)，實(shí)現(xiàn)了 AM 相連續(xù)演化為常規(guī)金屬相的實(shí)驗(yàn)證明。

AM 相被認(rèn)為源于庫(kù)珀對(duì)波函數(shù)的強(qiáng)量子相位漲落。盡管局部庫(kù)珀對(duì)已經(jīng)形成，但系統(tǒng)的能量被量子漲落主導(dǎo)，這些漲落阻止了相鄰島嶼之間的相位鎖定，導(dǎo)致即使在 T=0 時(shí)也存在耗散。

通過(guò)調(diào)節(jié) VTG 以減弱鄰近效應(yīng)誘導(dǎo)的超導(dǎo)電性，研究人員有效地抑制了強(qiáng)量子漲落的源頭（即局域庫(kù)珀對(duì)）。隨著島嶼上的超導(dǎo)序參量減弱，載流子越來(lái)越像普通電子，而不是漲落的庫(kù)珀對(duì)。這種調(diào)控導(dǎo)致了一個(gè)連續(xù)的跨越：AM 相——一個(gè)由量子相位漲落主導(dǎo)的物態(tài)——平滑地過(guò)渡到了常規(guī)金屬相 (CM)，后者表現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)的類(lèi) Drude 輸運(yùn)特性。

這種連續(xù)可調(diào)性提供了令人信服的證據(jù)，表明 AM 相并非一個(gè)截然不同、從根本上是新的量子態(tài)，而是在 EJ/EC 相圖中涌現(xiàn)出的一個(gè)階段，其形成受到了預(yù)先形成的庫(kù)珀對(duì)及其量子漲落的至關(guān)重要影響。

意義和未來(lái)方向

這項(xiàng)論文中展示的基于電壓的精確控制，代表了該領(lǐng)域的一個(gè)重大飛躍：

• 解開(kāi) AM 迷局：通過(guò)繪制 AM 到 CM 的連續(xù)轉(zhuǎn)變，該工作有力地支持了 AM 是一種由未凝聚、高度移動(dòng)的玻色子載流子（庫(kù)珀對(duì)）主導(dǎo)的態(tài)的觀點(diǎn)，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(tái)：混合超導(dǎo)體-半導(dǎo)體陣列是拓?fù)淞孔佑?jì)算的基礎(chǔ)。精確調(diào)控超導(dǎo)、金屬和絕緣相之間微妙平衡的能力——尤其是 AM 態(tài)——對(duì)于理解和減輕這些器件中的退相干和相位噪聲至關(guān)重要。
• 控制量子漲落：實(shí)驗(yàn)揭示了 AM 如何被磁挫折所抑制：施加垂直磁場(chǎng)引入了溫度依賴(lài)性的電阻率，這進(jìn)一步證實(shí)了 AM 相中零溫飽和是一種獨(dú)特的量子現(xiàn)象。

總之，對(duì)混合約瑟夫森結(jié)陣列中電壓調(diào)控的反常金屬到常規(guī)金屬轉(zhuǎn)變的研究，提供了人們長(zhǎng)期尋求的實(shí)驗(yàn)手段來(lái)剖析奇特的反常金屬的本質(zhì)。這項(xiàng)工作鞏固了 AM 相作為一個(gè)由庫(kù)珀對(duì)的宏觀相位漲落主導(dǎo)的量子臨界相的地位，使該領(lǐng)域離全面理解二維超導(dǎo)的量子相圖又邁進(jìn)了一步。