南京大學《PRL》：首次揭示維度驅動的零場反常金屬態！

多電子體系中復雜的相互作用與多自由度耦合，使其量子行為呈現顯著的涌現特性與可調控性。在強量子漲落和耗散效應下，傳統朗道–費米液體理論可能失效，其中一種與超導密切相關的特殊量子態——反常金屬態（Anomalous metal state）尤為引人關注。傳統超導相變理論認為，超導態破壞后會直接轉為絕緣體或正常金屬；然而，在二維極限下的超導體中，人們觀測到電阻飽和、霍爾信號消失等異常現象。這些現象可能源于量子漲落破壞長程超導相干性，同時保留短程庫珀對（如“局域化玻色子”）的電荷輸運。特別的，反常金屬態還可能表現出非互易輸運現象，即輸運行為依賴于電流方向，其特性反映了電子集體行為（如渦旋動力學與配對不對稱性）的重要作用。深入研究二維極限下的反常金屬態及其物理機制，并利用這些特性開發新型電子器件，已成為凝聚態物理與未來器件應用的重要方向。

南京大學物理學院繆峰團隊在奇異量子金屬態和二維超導體系研究中取得了一系列原創性成果，包括在轉角石墨烯體系電子晶體量子融化過程中首次觀測到量子臨界中間相，并實現其演化規律的量子模擬（Nature 609, 479 (2022)）；構筑伊辛超導/二維鐵磁材料異質結，實現了零磁場下超導二極管的非易失電控開關（Nature Communications 15, 4953 (2024)）；利用離子液體柵控技術首次實驗觀測到二硒化錫的本征超導特性及磁場誘導的反常金屬態（Nano Letters 18, 1410 (2018)）。在此基礎上，近期南大繆峰團隊聯合南理工程斌教授、北京師范大學劉海文教授等，在層狀伊辛超導體中首次觀測到維度驅動的零磁場反常金屬態，并揭示其非互易輸運現象及可能存在的自發時間反演對稱性破缺，不僅深化了維度驅動超導相變行為的理解，也為調控反常金屬物態和設計新型電子器件開辟新途徑。

在該工作中，合作團隊成功設計并合成了二維伊辛超導體Ta2S3Se，并通過低溫強磁場條件下的電學輸運實驗，揭示了該材料在不同厚度下的輸運性質。當器件中樣品厚度大于10nm時（器件1和2），在約3.8K時電阻迅速降至零，呈現出基本的超導特征。而樣品厚度低于10nm（器件3至5）時表現出超導轉變溫度隨著厚度減薄而快速降低的現象。值得注意的是，當樣品厚度接近二維極限（3nm）時，縱向電阻在低溫下沒有完全消失并且呈現出飽和的趨勢。以上結果表明該層狀伊辛超導材料在樣品維度變化下呈現出反常的量子行為。

圖1.（a）Ta2S3Se樣品在不同維度條件下的電阻隨溫度的變化關系。（b）不同維度的Ta2S3Se的電學輸運特性。

研究團隊比較了不同樣品厚度和磁場作用下縱向電阻（Rxx）與霍爾電阻（Rxy）的演化，深入探究維度調控下的超導性以及反常金屬態。首先在厚層樣品中（器件2，厚度14.5nm），Rxx和Rxy在0.42T磁場條件下同時變為有限值，表明在整個磁場變化過程中不存在反常金屬態（圖2（a）上）。而對于器件3（厚度為9.4nm），Rxx在0.4至0.65 T磁場范圍內保持明顯的有限值，而Rxy消失，表明反常金屬態的出現（圖2（a）下）。當溫度降至特征溫度 Tcross（圖2(b)黑色箭頭所示）時，R-T曲線開始明顯偏離阿倫尼烏斯（Arrhenius）型擬合（圖中黑色虛線）。這表明在反常金屬態向正常金屬態過渡過程中，樣品會經歷由熱激活磁通運動（Thermally activated flux flow, TAFF）主導的區域；而偏離 Arrhenius 行為則意味著 TAFF 模型不再適用，耗散機制發生了改變。團隊進一步探究了2K下Rxx的磁場響應特性，發現其變化規律符合量子蠕動模型，暗示著反常金屬態由渦旋的量子蠕動過程所驅動。基于器件2的實驗結果，構建了磁場與溫度的變化相圖，表現了超導態、反常金屬態及正常金屬態之間的轉變過程，說明樣品厚度在介于三維和二維之間時，基態雖然仍為超導，但通過磁場作用可激發出反常金屬態。

圖2.（a）在2K條件下，器件2和器件3中Rxx和Rxy隨磁場的變化。（b）在不同磁場下測得的Rxx與溫度的Arrhenius 圖。橙色虛線表示測量極限范圍內的最小值。（c）器件3中Rxx隨磁場的變化趨勢及其基于量子蠕動模型和玻色金屬模型的擬合曲線。（d）磁場與溫度的相圖。

研究團隊接著對接近二維極限條件下樣品（器件8，厚度為3.1nm）開展電學輸運測量。在零磁場條件下，Rxx隨著溫度降低趨于飽和值且遠小于正常態電阻，Rxy數值趨向于零，首次在二維伊辛超導體中證實了零磁場下的反常金屬態。在低磁場范圍（0至0.13T）器件8的Rxx磁場響應特性仍與量子蠕動模型相吻合。此外，超導態臨界磁場HC和反常金屬態臨界磁場HAM的變化規律與特征尺寸的比值（L/2Λ）密切相關，說明渦旋動力學過程由樣品厚度和橫向尺寸的共同作用。研究團隊進而構建了由磁場與維度的相圖，以分析理解不同維度條件下超導和反常金屬態的演化過程。隨著體系維度的降低，超導基態被迅速抑制直至消失；反常金屬態在三維到二維轉變過程中（厚度約為10nm）開始出現，并在樣品接近二維極限條件下（厚度約為3nm）觀察到零磁場時穩定存在的反常金屬基態，展現出顯著的維度依賴特性。

圖3.（a）器件8在零磁場條件下Rxx和Rxy隨溫度的變化曲線。（b）Rxx隨磁場的變化趨勢及其基于量子蠕動模型和玻色金屬模型的擬合曲線。（c，d）臨界磁場HC和HAM隨特征尺寸比例L/2Λ的變化關系。（e）維度與磁場的相圖。

最后，研究團隊通過測量電壓-電流（V-I）特性曲線和二倍頻信號，深入研究了反常金屬態中的非互易輸運現象。在接近二維極限時（器件6，厚度3.9nm），零場反常金屬態在不同電流方向下的得到的V-I曲線不重合，表現出非互易輸運行為。而在中間厚度樣品中（器件5，厚度5.2nm）中，除了施加垂直磁場時出現的非互易輸運之外，在溫度升高到3.2K左右時也觀察到在零磁場條件下非互易輸運行為。此外，研究發現零場非互易輸運的極性可通過升溫–降溫過程實現翻轉，可能與體系內稟的自發時間反演對稱性破缺有關。上述結果不僅為理解二維超導體系中的對稱性破缺機制提供了新視角，也為利用此類效應開發超導電子器件提供了思路。

圖4.（a–d）器件5在2K條件下，在不同磁場（0.0T、0.02T、0.1T和0.3T）下的V-I曲線。（e）器件5在零磁場和3.2K條件下的V-I曲線。（f）器件5在不同溫度下，磁場作用下的二倍頻電壓信號變化。（g）器件6在零磁場、2K條件下的V-I曲線。（h）經過熱循環過程，器件6在零磁場條件下的V-I曲線。

該工作以“層狀伊辛超導體中維度驅動的反常金屬態及其零場非互易輸運”（Dimensionality-driven anomalous metallic state with zero-field nonreciprocal transport in layered Ising superconductors）為題，于2025年8月11日發表于學術期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）。南京大學物理學院繆峰教授與南京理工大學物理學院程斌教授為該工作的共同通訊作者，南京大學物理學院博士后崔艷威，和博士生劉增霖、劉勤、熊俊林為該工作的共同第一作者。北京師范大學劉海文教授提供了理論部分的支持。南京大學物理學院梁世軍教授和方涵彥副教授等共同參與了該工作。該工作得到科技部重點研發計劃項目、國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金前沿技術項目、中國科學院戰略重點研究項目、中央高校基本科研業務費等項目的資助，以及固體微結構物理全國重點實驗室、人工微結構科學與技術協同創新中心和江蘇省物理科學研究中心等的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1103/5qvz-d3vl

團隊主頁：https://nano.nju.edu.cn

文章來源：南京大學