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臺灣團隊主導臺美科研合作 獲登自然通訊期刊 首度以理論及實驗揭開「奇異金屬」謎團之神秘面紗 有助解開高溫超導體形成機制

發稿日期:112年8月16日
自然科學及永續研究發展處 聯絡人:羅夢凡處長 電話:(02)2737-7518
E-mail:mfl28@nstc.gov.tw

 

在國科會長期支持下,國立陽明交通大學仲崇厚特聘教授帶領的理論物理研究團隊,與國際頂尖之美國布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory, BNL) 之實驗團隊共同合作,首度成功解開稀土族超導體中之「奇異金屬量子臨界糾纏態」之形成機制,研究成果於今(112)年2月刊登於國際知名學術期刊《自然通訊(Nature Communications)》,此一成果有助於解開困擾凝態物理界35年的高溫超導體形成機制之謎團,對基礎科學和應用技術都具有深遠意義。而此次臺美科研合作,展現了臺灣基礎研究團隊在國際合作中的主導性與能量,具有指標性的意義。


新穎「奇異金屬量子臨界糾纏態之形成機制」之神秘面紗
普通金屬在極低溫情況下(超導性未出現前),隨溫度下降,其電阻率會隨著溫度的平方下降 (即所謂「費米液體」)。然而近30多年來,眾多新穎量子材料如:銅基高溫超導體、稀土族重費米子超導體,有機超導體、二維雙層扭轉石墨稀超導體等出現不同於普通金屬的「奇異金屬量子態」(即所謂「非費米液體」):隨溫度降低其電阻率呈現線性下降,比熱係數則以對數方式上升。而最近稀土族超導體與銅基高溫超導體更展現出更奇特之奇異金屬稱為「普朗克金屬」之量子臨界狀態,此一量子態在不穩定的「量子臨界點」附近出現,其中電子的散射率與溫度呈現線性關係,且比例常數與普朗克常數呈現倒數關係。


上述現象包括奇異金屬態的形成原因與機制等至今仍是未解之謎,為當前凝聚態物理領域的一大難題,研究團隊即致力於從基礎發現並理解這些奇特量子物質狀態,一探量子世界的奧秘。


在微觀原子尺度下,量子力學會導致特殊物質或材料在低溫下因不同量子基態間相互競爭呈現新的物質狀態,稱為「量子臨界態」,是電子之間高度量子糾纏的新物質狀態。新穎超導體中的奇異金屬態涉及大量電子和原子狀態的量子糾纏,是高度複雜的多體「量子糾纏」狀態。而「奇異金屬量子態」可視為低溫下由於量子臨界擾動現象產生的新型物質狀態「量子臨界態」。這顯示除了一般大眾所熟知的金屬、絕緣體、超導體和半導體外,自然界還存在著這種新而普遍的物質狀態,是凝態物理界具基礎和應用價值的新發現。


本研究首次以理論與實驗合作的方式揭示了「普朗克金屬」的奧秘。實驗結果證實了稀土族超導體中「普朗克金屬態」的確是處於量子臨界點附近之量子臨界行為。同時更進一步提出了建立於量子臨界電荷擾動基礎上之微觀理論機制,首次成功解釋了此一奇異金屬現象及其形成機制與量子臨界現象之間的關係,乃為電子之間於量子臨界點附近高度「量子糾纏」的結果。此一成果有助於解開銅基高溫超導體中同樣源自量子臨界電荷擾動之普朗克奇異金屬態形成機制。而高溫超導體之超導態即由普朗克金屬態降溫時形成,因此,本論文研究成果有助於解開困擾凝態物理界達35年之謎團「高溫超導體形成機制」。


另一方面,完整地描述奇異金屬現象在科技應用上也非常重要。若能了解奇異金屬態,有助於設計預測並提升高溫超導體的超導臨界溫度,這在科技應用上具有潛力。高溫超導體在無能量損耗的電力傳輸、量子電腦及量子計算等領域具有關鍵應用,對科技發展、改善生活和環保節能都有重大價值。


臺美基礎科學合作之新里程碑
此次臺美合作研究係由仲教授於2018年時醞釀發想,並且主導整個研究計畫的執行。自2019年秋季起,美國實驗團隊BNL的Cedomir Petrovic博士加入合作,提供實驗數據結果,臺灣團隊則由仲教授與張永業博士分析實驗數據,並建構微觀理論機制模型。歷經3年半的合作,研究發現理論機制能成功地解釋實驗現象,最終獲登於《自然通訊》期刊。此次的合作成功,為臺美基礎科學合作樹立一個新的里程碑,展現出臺灣基礎研究在國際合作中之主導性與活力。

 

上圖:稀土族重費米子超導體Ce1-xNdxCoIn5隨著磁場與Nd參雜濃度之有限溫度相圖(左上圖),及固定磁場下隨著Nd參雜濃度之有限溫度相圖(右上圖)。 下圖:普朗克奇異金屬態於電阻率(左下圖)、電子散射率(中下圖)及比熱係數(右下圖)所展現之量子臨界行為。

上圖:稀土族重費米子超導體Ce1-xNdxCoIn5隨著磁場與Nd參雜濃度之有限溫度相圖(左上圖),及固定磁場下隨著Nd參雜濃度之有限溫度相圖(右上圖)。

下圖:普朗克奇異金屬態於電阻率(左下圖)、電子散射率(中下圖)及比熱係數(右下圖)所展現之量子臨界行為。

 

 

合影左起為臺大物理系高英哲教授、國科會自然處羅夢凡處長、陽明交通大學電子物理系仲崇厚特聘教授、陽明交通大學電子物理系張永業博士

合影左起為臺大物理系高英哲教授、國科會自然處羅夢凡處長、陽明交通大學電子物理系仲崇厚特聘教授、陽明交通大學電子物理系張永業博士

 

原文刊登連結:
https://www.nature.com/articles/s41467-023-36194-9

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Taiwan team leads US-Taiwan research collaboration Unravel the mystery of strange metal state in condensed matter physics. (published in Nature Communications in Feb. 2023)
更新日期 : 2023/08/16