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量子金属态的证实
量子材料与量子相变是本世纪凝聚态物理与材料领域的研究热点。量子相变与传统的热力学相变不同,是在绝对零度下调节非热力学参量而发生的相变,相变点附近量子涨落而非热涨落起了重要作用。作为量子相变的经典范例,二维超导-绝缘体相变以及超导-金属相变研究获得了2015年美国凝聚态物理最高奖巴克利奖。在量子相变过程中,除超导基态和绝缘基态外,量子金属态是否存在于二维超导体系一直是理论与实验上争论的焦点(Rev. Mod. Phys.91, 11002 (2019))。根据安德森标度理论,由于量子干涉效应以及相位相干长度在零温下发散的特性,载流子在趋于绝对零度时会表现出局域化效应,因此理论上不存在二维量子金属基态。尽管实验上在各种二维电子体系发现了量子金属态的可能迹象,但受低临界温度的制约以及外界高频噪声的影响(Science Advances 5, 3826 (2019)),二维量子金属态的存在与否仍存在着巨大争议,是近三十年来国际学术界一直悬而未决的重要物理问题。 最近,北京大学物理学院量子材料中心王健教授、博雅博士后刘易与合作者在高温超导纳米多孔薄膜中首次完全证实了量子金属态的存在。通过调节反应离子刻蚀的时间,研究团队在高温超导钇钡铜氧(YBCO)多孔薄膜中实现了超导-量子金属-绝缘体相变。量子金属态存在的直接证据是体系的电阻随着温度降低表现出饱和特性,在高温超导体YBCO薄膜中,该电阻饱和温度高达5K,这一温度相比于传统超导体系提高了1-2个数量级,大大提升了量子金属态的稳定性和实验结果的可信度。通过高频滤波器极低温对照实验表明,是否添加滤波器对体系的电阻在低温下的饱和规律没有明显的作用,有效地排除了外界高频噪声对实验的影响,为量子金属态的存在提供了可靠的实验证据。实验还揭示了量子金属态的霍尔电阻为零欧姆,意味着量子金属态具有与超导体类似的粒子空穴对称性(particle-hole symmetry)。 此外,实验表明量子金属态在低温下满足欧姆定律且具有巨磁阻效应,这些发现也与理论上对量子金属态的预期吻合。 研究团队通过系统的极低温电输运测试发现,超导,金属与绝缘这三个量子基态都有与库珀电子对相关的h/2e周期的超导量子磁通振荡,这表明量子金属态与传统金属不同,是玻色金属态,揭示了库珀对玻色子对量子金属态的形成起到了主导作用。(注:传统金属中导电是电子,也即费米子)实验发现,对于超导态的样品,量子振荡振幅随温度的降低迅速增加而发散; 对于绝缘态的样品,振幅随温度的降低先迅速增加然后在低温下衰减; 而对于量子金属态的样品,振幅随温度的降低先迅速增加然后在低温下饱和。进一步分析揭示出振荡振幅饱和对应于相位相干长度饱和,是量子金属形成的一种可能机制。有意思的是通过调控正常态电阻仅两个数量级,量子振荡振幅从超导态样品到最绝缘的样品变化了九个数量级,这意味着多孔高温超导体系具备很好的相位相干调控性。 该工作于2019年11月14日在线发表于学术期刊《Science》上。(DOI: 10.1126/science.aax5798;https://science.sciencemag.org/content/early/2019/11/13/science.aax5798)。北京大学王健教授、布朗大学James M. Valles Jr 教授、电子科技大学熊杰教授是本文的共同通讯作者,电子科技大学博士生杨超和北京大学博士后刘易为文章共同第一作者,北京大学为第一通讯作者单位。这一工作的主要合作者还包括布朗大学Jimmy Xu教授,北京大学林熙研究员,北京师范大学刘海文研究员,清华大学姚宏教授,电子科技大学李言荣院士等。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费、量子物质科学协同创新中心、中科院卓越创新中心、低维物理国家重点实验室开放基金、北京市自然科学基金、北京市交叉科学与技术基金、博士后科学基金等支持。 二维高温超导体系中量子玻色金属态的证实是王健研究组与合作者继量子格里菲斯奇异性发现以来(Science 350, 509 (2015)); Nature Communications 10, 3633 (2019)),在二维超导量子相变领域的又一重要突破。该工作为国际上争论了三十多年的量子金属态的存在提供了有力的证据,并为研究量子金属态提供了新思路。该工作也得到了美国科学院院士斯坦福大学Steven A. Kivelson教授的高度评价,评论文章发表在Journal Club for Condensed Matter Physics(凝聚态物理期刊俱乐部)上。Kivelson教授指出:“这一工作对量子材料的理解具有基础性的重要意义”。图一, 钇钡铜氧(YBCO)纳米多孔薄膜中的超导-量子金属-绝缘体量子相变。(A)用多孔氧化铝(AAO)模板蚀刻法制备YBCO纳米多孔薄膜的工艺示意图。(B) YBCO纳米多孔薄膜扫描电镜(SEM)图像。(C) YBCO纳米多孔薄膜的几何结构示意图。(D)不同刻蚀时间下YBCO纳米多孔薄膜的电阻对温度的依赖关系。超导态(SC)、反常金属态(AM1)、过渡态(TS)和绝缘态(INS)四种典型薄膜的电阻温度曲线用黑色表示。图二,量子金属态证据。(A)量子金属态薄膜和超导薄膜的输运曲线。其中低温下电阻的饱和行为为量子金属态的特征。(B) 量子金属态薄膜极低温输运曲线。是否采用高频滤波器并不改变量子金属态饱和电阻的特征。插图: 量子金属态薄膜的I-V曲线,符合欧姆定律,亦为量子金属态的证据。(C)典型量子金属态薄膜的霍尔电阻和纵向电阻随温度的变化图。霍尔电阻(Rxy)在低温下趋于零,而纵向电阻不为零,表现出量子金属态的特征。插图: 量子金属态薄膜不同温度下的霍尔电阻(Rxy)。(D) 量子金属态薄膜的巨磁阻效应,与理论上对量子金属态的预期相符。图三,库柏对在量子相变过程中的相干性衍变 (A)超导态、(B) 量子金属态、(C)绝缘态的磁导振荡图。 (D) 不同温度下,所有YBCO薄膜的磁导振荡的振幅。对于量子金属态薄膜,磁导振荡的振幅随温度的降低在5 K左右而饱和。而超导态薄膜磁导振荡的振幅在低温下发散,绝缘态薄膜磁导振荡的振幅随着温度降低先增加后减小。(E) 通过相位相干的近似模型,计算得到量子金属态的相位相干长度在低温下饱和。揭示了量子金属形成的一种可能机制。
北京大学 2021-04-11
高校校长专家热议:产教融合如何走深走实?
产教融合的深层堵点究竟在哪里?不同类型、不同地域的高校又该如何走出同质化的泥沼,真正构建起校企共生、可持续发展的长效生态?
教育在线 2026-06-02
一种板材包拉成形装置及成形的方法
本发明公开了一种板材包拉成形装置,包括凸模、凹模及用于 与凹模的顶端面配合压住板材的压边圈,压边圈位于凹模的上方,所 述凹模上设置有便于板材进行拉深成形的圆角,所述凹模在对应于圆 角的位置安装有反胀线圈,所述反胀线圈为同心线圈,反胀线圈用于 通电后使滑动到凹模圆角处的板材区域向远离圆角的方向折弯胀起从 而形成折弯胀起部。本发明通过在凹模的圆角处设置电磁放电线圈, 使凹模的圆角正对的板材区域发生折弯胀起,能有效改善板材的法兰 部的材料流动性,最终提高零件的拉深成形质量。
华中科技大学 2021-04-13
铸态奥氏体 -贝氏体耐磨钢
项目简介: 针对高猛钢在一些应用领域使用性能差, 高铭铸铁韧 性不足在冲击工况难以应用的具体情况,本项目研制开发一种以奥氏体-贝氏
西华大学 2021-04-14
粉末注射成形技术
粉末注射成形(Powder Injection Molding,简称PIM)是将现代塑料注射成形技术引入粉末冶金领域而形成的一门新型粉末冶金近净形成形技术。其基本工艺过程是:首先将固体粉末与有机粘结剂均匀混练,经制粒后在加热塑化状态下用注射成形机注入模腔内固化成形,然后用化学或热分解等方法将成形坯中的粘结剂脱除,最后经烧结致密化得到最终产品,其工艺过程如图1所示。它不仅保持了粉末冶金技术可以制备用熔铸方法无法或很难制备的材料的特点,还可以像成形塑料产品一样制备金属或陶瓷零件,把粉末冶金技术的成形能力提高到了前所未及的程度。它是小型复杂零部件成形与加工技术的一场革命,成为了新型制造业中最为活跃的前沿技术领域,代表着粉末冶金技术发展的主要发展方向。近年来得到了世界各工业发达国家的高度重视,被国际上誉为“当今最热门的零部件成形技术”和“21世纪的成形技术”。美国已将其列为对国家经济繁荣和持久安全起至关重要的“国家关键技术”之一。其产品广泛应用于电子信息工程、生物医疗器械、办公设备、汽车、机械、五金、体育器械、钟表业、兵器及航空航天等众多工业领域。 粉末注射成形技术的特点主要有: 能直接成形几何形状复杂的小型零件; 零件尺寸精度高(±0.1%~±0.5%),表面光洁度好(粗糙度1~5μm); 产品相对密度高(95~100%),组织均匀,性能优异; 适合各种粉末材料的成形,产品应用十分广泛; 原材料利用率高,生产自动化程度高,工序简单,可连续大批量生产; 无污染,生产过程为清洁工艺生产。 十多年来,北京科技大学粉末冶金研究所的曲选辉教授课题组在国家“863”计划、“973”计划、国家军工科研计划、北京市科委重大科研项目和国家杰出青年基金等的资助下,在粉末注射成形关键技术、应用开发、产业化关键技术与装备等方面进行了深入系统的研究,并取得了一系列创新性成果,开发出了一系列具有自主知识产权的新工艺、新配方,研制的许多产品已成功应用于我国国防和民用领域。目前已拥有7项国家发明专利,多项研究成果获省部级以上科技进步奖。其技术水平处于国内领先、国际先进水平。本技术现已成为国家科技部重点推广项目之一。
北京科技大学 2021-04-11
精密玻璃模压成形机
本项目创新性提出利用七台电缸作为模压机构的伺服驱动元件,相比国外气缸驱动的玻璃模压成形设备,更有利于对模压速度、模压位置与成形压力的精密控制。设备使用的工业控制系统,比可编程逻辑控制器更利于对模压成形过程进行工艺调试、条件优化以及对工艺数据的导入导出。此外,设备还对加热模块进行了进一步优化,有更宽的温度调控范围。 课题组通过技术攻关,在模具材料制备、微纳模具超精密加工与微纳光学器件超精密模压成形方面,已经形成了具完全自主知识产权的玻璃模压加工工艺。基于开发的全电机伺服驱动精密模压成形机,可实现在可见光玻璃和红外玻璃材料上加工自由曲面透镜、非球面透镜、微沟槽、微柱面镜阵列、微棱镜阵列、微透镜阵列等光学器件。对于国内微纳光学器件制造意义重大。
北京理工大学 2022-01-17
精密玻璃模压成形机
本课题组创新性提出利用七台电缸作为模压机构的伺服驱动元件,相比国外气缸驱动的玻璃模压成形设备,更有利于对模压速度、模压位置与成形压力的精密控制。设备使用的工业控制系统,比可编程逻辑控制器更利于对模压成形过程进行工艺调试、条件优化以及对工艺数据的导入导出。此外,设备还对加热模块进行了进一步优化,有更宽的温度调控范围。 课题组通过技术攻关,在模具材料制备、微纳模具超精密加工与微纳光学器件超精密模压成形方面,已经形成了具完全自主知识产权的玻璃模压加工工艺。基于开发的全电机伺服驱动精密模压成形机,可实现在可见光玻璃和红外玻璃材料上加工自由曲面透镜、非球面透镜、微沟槽、微柱面镜阵列、微棱镜阵列、微透镜阵列等光学器件。对于国内微纳光学器件制造意义重大。
北京理工大学 2023-05-09
一种声学镊子压力聚焦球面的成形装置及成形方法
本发明公开了一种声学镊子压力聚焦球面的成形装置,包括下 座,下座向上安装有多根导柱,有上座活动穿装在该多根导柱上,每 根导柱上均螺纹连接有旋钮,下座向上安装有导向座,所述导向座内 设置有用于套装超声换能器的外壳的定位圆通孔,所述定位圆通孔内 套装有限位片,限位片上设置有限位圆通孔,限位圆通孔处放置有压 力球,上座的底端向下安装有压力座,压力座的底端设置有球形槽。 本成形装置结构简单,容易在超声换能器的压电片上形成聚焦
华中科技大学 2021-04-14
一种声学镊子压力聚焦球面的成形工装及成形方法
本发明公开了一种声学镊子压力聚焦球面的成形工装,包括下 座,下座向上安装有多根导柱,有上座活动穿装在该多根导柱上,导 柱上螺纹连接有用于向下推动上座移动的旋钮,所述下座向上安装有 圆柱台和导向座,圆柱台的顶端设置有球形槽,球形槽处放置有压力 球,所述导向座上设置有通孔,所述通孔包括相互连通的柱台导向圆 孔和换能器导向圆孔,导向座在柱台导向圆孔处的内壁与圆柱台的外 侧接触,所述换能器导向圆孔用于使超声换能器的压电片的整
华中科技大学 2021-04-14
地铁隧道用湿态水密封材料
中试阶段/n主要用途:用于盾构掘进机盾尾密封,取代进口材料。主要特点:1、成本只有进口的一半;2、可按照地质状况定做配方;3、生产安全无毒;无三废产生。主要技术指标:1、外观带纤维的黄色膏状物,无结块。 2、密度(25oC),g/cm31.10~1.60。3、密封性(3.5Mpa)无漏水。 4、下垂度(30 oC,5h),mm≤15、挥发度(80 oC,5h),%≤2.5。 6、稠度,0.1mm≥2407、水冲损失率(38 oC,1h),%≤6。 8、泵送性(0
湖北工业大学 2021-01-12
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