二维材料中隐藏的量子临界点

在凝聚态物理中，理解材料在临界点上的行为是一个基本的追求。在临界点上，材料的性质会因微小的外部影响而发生巨大的变化。其中一个这样的临界点是薄膜中的超导-绝缘体相变，通过施加磁场可以将超导体转变为绝缘体。在二维系统中，预计该转变会在零温下表现出明确的量子临界点 。然而，最近的实验揭示了一个令人惊讶的转折，在一些弱无序或晶体薄膜中出现了异常金属 状态。

超导是一种迷人的现象，某些材料在临界温度以下表现出完美的导电性(零电阻)，这种行为源于库珀对的形成。然而超导-绝缘体相变破坏了这种微妙的平衡，通过施加磁场，成对的电子变得越来越容易分裂，最终完全破坏超导性，使材料进入绝缘状态。

由于量子涨落的增强，超导-绝缘体相变在二维系统中特别有趣。这些涨落会掩盖转变，导致其在零温下表现出明确的量子临界点。在此量子临界点下，材料表现出临界缩放行为，其性质与微观细节无关，仅依赖于维数和普适类。

最近发表在《自然通讯》的一项研究观察到一种与传统量子临界点图像的特殊偏差。在一些弱无序或晶体薄膜中，在超导相和绝缘相之间出现异常金属态。这种状态表现出有限的电阻，但其行为与传统金属的行为不同。这种异常金属态的起源和性质仍然存在激烈的争论。

一种流行的理论认为，异常金属态是由超导序参量的强涨落引起的。即使这种材料不再是完美的超导体，库珀对仍在不断地形成和断裂，这些涨落产生了类似金属的导电性。

另一个解释提出了异常金属态内存在“量子涡旋液体”(QVL)。涡旋是超导体中的旋转电流，QVL是这些涡旋的流体状态。QVL 内部的涨落和相互作用会导致观察到的异常金属行为。

了解异常金属态的本质需要复杂的实验技术来探测它的电和磁特性。其中一种这样的技术是能斯特效应，它测量的是在存在磁场的情况下材料由于温度梯度而产生的电压差。能斯特效应对超导序参量的涨落特别敏感，因此是研究异常金属态的宝贵工具。

最近的研究利用能斯特效应详细绘制了异常金属态。通过在磁场-温度平面上详细的能斯特效应等高线图，研究者们确定了一个与量子相变相关的超导涨落的热-量子交叉线，也被称为幽灵温度线。这表明从高温下的涨落主导状态到低温下的更相干状态存在连续转变，这一发现支持了异常金属态确实是量子临界点的加宽版本这一说法。

加宽的量子临界基态的发现对我们对超导-绝缘体相变的理解具有重要意义。它表明，转变可能比以前想象的更复杂，其中无序和材料特性等因素起着关键作用。这一发现为进一步的理论和实验研究打开了大门。