高溫超導機理問題是當今凝聚態物理前沿研究的重大難題之一，揭開其神秘面紗不僅有利於幫助我們尋找更高臨界溫度的超導體，更是對固體中多體相互作用微觀機制的認識飛躍。
因為它將徹底撼動凝聚態物理基石——朗道-費米液體理論，可能對整個物理學的研究帶來新的革命[1]。高溫超導機理研究的最大困難，在於理解其複雜的電子態及其量子行為，用一句話來概括就是：“超導態下變幻多，正常態下不正常。”對於超導態，實驗和理論上都基本達成一致地認為是能隙符號和大小隨動量空間演變的d波形式電子配對。然而對於正常態，存在許多奇異的物理性質，遠遠超越了傳統費米液體理論的認識。例如存在部分打開的“贗能隙態”，不連續的“費米弧”，以及延續到極高溫的線性電阻等。究其原因，在於正常態下存在多種自旋、電荷和軌道有序態，它們和超導態的相互競爭或共存造成了複雜的電子態相圖（圖1） [2]。為此，物理學家只能無奈地把難以理解的不正常的正常態，籠統地稱之為“奇異金屬”（Strange metal），其物理本質至今仍是一個謎。
圖1. 空穴型銅氧化物高溫超導體中複雜的電子態相圖[1]
對於奇異金屬態下的高溫超導體正常態，其電阻率隨溫度的依賴關係是幾乎完美的線性，甚至會持續到1000 K以上的溫度,直到金屬發生熔化。對於傳統金屬而言，電阻率隨溫度變化基本上是T2關係（主要來自電子-聲子相互作用），因為承載電流的是長壽命準粒子（帶相互作用的電子），其散射長度並不會比德布羅意波長小多少。而在高溫超導體中，由於電子-電子的強烈相互作用，即便準粒子散射長度和德布羅意波長相當，其電阻率隨溫度增加並不趨於飽和或漸變，依然是頑固的線性溫度依賴。這個行為也被叫做“普朗克耗散”（Planckian dissipation），準粒子輸運的弛豫率直接由熱能尺度決定（ħ/τ∝kBT）[3-5]。理論上推測，線性電阻率的存在，是因為超導態下“隱藏”著一個“量子臨界點”（Quantum critical point, QCP），即在絕對零度下，隨著摻雜濃度的演變，系統的基態會發生二階相變。在有限溫度下，所謂“奇異金屬”，其實就是在量子臨界漲落的統治下的反常物理行為。例如，系統的費米麵會從小的費米口袋突變成大的費米麵，超流密度、關聯長度、準粒子有效質量等會發生髮散等奇異行為[6-10]。可是實驗上的驗證存在巨大挑戰，因為超導態下的零電阻效應往往會掩蓋住QCP。
要想真正探秘到QCP的本源面目，唯一的途徑就是想辦法把超導態“殺掉”，直接暴露接近零溫下的正常態。這需要突破高溫超導體的上臨界場，往往在幾十甚至上百特斯拉的量級。最近，來自美國佛羅里達高場實驗室等的科學家們，基於高質量系列摻雜的La2-xSrxCuO4薄膜，利用高達80 T的強磁場，成功將量子臨界點附近的超導體恢復到正常態，發現了其磁電阻存在強烈的標度不變性，即“殺掉”超導態之後的正常態，依舊是不正常的線性電阻[11]！如圖2A和2B所示，對於最接近QCP的摻雜濃度為p=0.190的樣品，電阻率對磁場在40 K以上存在明顯線性響應，並隨著溫度升高而不斷增加。磁電阻隨磁場變化斜率在超導態下趨於一個飽和值，並且與零場下電阻率隨溫度變化斜率成類似摻雜依賴行為（圖2 C和2D）。這說明，在強磁場下，準粒子輸運的弛豫率還由磁場能量尺度決定（ħ/τ∝μBB），磁場對量子臨界漲落下的動力學有直接影響，最終導致“不正常”的輸運行為（圖2E）。雖然在低溫下我們能夠觀測到準粒子的量子振盪行為，到了高溫下，奇異金屬態中並不存在嚴格定義下的傳統準粒子。或者說，高溫下的對溫度或磁場線性依賴的電阻率，來源於非準粒子機制。原則上，QCP附近的標度不變性，不應該僅限於對磁場或溫度能量尺度的線性響應行為，任何其他的冪次率響應都有可能發生。然而，
無論是銅氧化物高溫超導體，還是鐵基高溫超導體，在QCP附近都存在令人驚奇的線性電阻率[12]！該研究明確了高溫超導體輸運性質的機制，對強關聯下的電子態複雜行為帶來進一步的理解，是高溫超導微觀機理研究的重要實驗證據。
圖2. (a) p=0.190樣品在不同溫度下電阻率的磁場依賴關係，(b) p=0.190樣品在不同磁場下電阻率的溫度依賴關係，(c) p=0.190樣品磁電阻在低溫下趨於標度不變性，(d)不同摻雜濃度樣品在零場下的線性電阻率，(e)電阻率受量子臨界影響下的磁場和溫度依賴行為
作者：羅會仟 中科院青促會 中科院物理研究所
論文信息：Scale-invariant magnetoresistance in a cuprate superconductor（Science 3 August 2018: Vol 361, Issue 6401）
參考文獻
1. P. W. Anderson, Science 256, 1526–1531 (1992).
2. B. Keimer et al., Nature 518, 179–186 ( 2015) .
3. C. M. Varma et al., Phys. Rev. Lett. 63, 1996–1999 (1989).
4. J. Zaanen, Nature 430, 512–513 (2004).
5. S. Lederer et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 114, 4905–4910 (2017).
6. Y. Ando et al., Phys. Rev. Lett. 92, 197001 (2004).
7. N. Doiron-Leyraud et al., Nature 447, 565–568 (2007).
8. T. P. Croft et al., Phys. Rev. B 89, 224513 (2014).
9. L. Zhao et al., Nat. Phys. 13, 250–254 (2017).
10. J. G. Analytis et al., Nat. Phys. 10, 194–197 (2014).
11. P. Giraldo-Gallo et al., Science 361, 479-481(2018).
12. I. M. Hayes et al., Nat. Phys. 12, 916–919 (2016).
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