中國科大研究團隊實現(xiàn)量子格里菲斯相的有效調(diào)控

近日，中國科學技術(shù)大學合肥微尺度物質(zhì)科學國家研究中心國際功能材料量子設(shè)計中心和物理系中國科學院強耦合量子材料物理重點實驗室曾長淦教授研究組與北京師范大學劉海文教授合作，在量子相變研究領(lǐng)域取得了重要進展。研究團隊首次在同一體系中同時觀測到正常與反常量子格里菲斯相，并通過控制量子漲落實現(xiàn)了對這些相的有效調(diào)節(jié)。相關(guān)成果以題為“Effectively tuning the quantum Griffiths phase by controllable quantum fluctuations”的論文，于11月27日發(fā)表在Science Advances期刊上（DOI: 10.1126/sciadv.adp1402）。

量子相變由量子漲落驅(qū)動，在揭示復(fù)雜量子態(tài)及推動量子器件研發(fā)方面具有重要意義。無序二維超導(dǎo)體因其增強的量子漲落特性，成為研究量子相變的重要平臺。量子漲落與耗散的相互作用極大豐富了量子相變物理，并在二維超導(dǎo)系統(tǒng)中催生了諸如量子金屬態(tài)和量子格里菲斯相等新穎的量子現(xiàn)象。量子格里菲斯相的形成歸因于無序誘導(dǎo)的稀有超導(dǎo)區(qū)域嵌入正常態(tài)背景中。當溫度趨近零時，這些超導(dǎo)區(qū)域逐漸增大，其緩慢的動力學行為導(dǎo)致量子格里菲斯相的出現(xiàn)，其特征是發(fā)散的有效臨界指數(shù)（zν），這一現(xiàn)象被稱為量子格里菲斯奇異性。近年來，量子格里菲斯相的研究備受關(guān)注，成為超導(dǎo)研究的重要前沿課題。然而，盡管在多種二維超導(dǎo)材料中已觀察到量子格里菲斯相，如何實現(xiàn)有效調(diào)控仍是一個挑戰(zhàn)。

圖：（a）量子格里菲斯相（QGP）示意圖。（b）反常QGP磁場與溫度的相圖示意圖。（c）正常QGP磁場與溫度的相圖示意圖。（d）垂直場下反常量子格里菲斯奇異性（有效臨界指數(shù)zν從高場一側(cè)接近無限隨機量子臨界點Bc*時發(fā)散），插圖為LaAlO?/KTaO?(110)器件示意圖。（e）平行場下正常量子格里菲斯奇異性（zν從低場一側(cè)接近無限隨機量子臨界點Bc*時發(fā)散）。（f）柵壓對反常QGP中反常相邊界的溫度和磁場范圍的調(diào)節(jié)。

此次研究中，研究團隊基于LaAlO?/KTaO?(110)超導(dǎo)氧化物界面，通過改變磁場方向和柵壓，成功實現(xiàn)了對量子格里菲斯相的有效調(diào)控。具體而言，在垂直磁場下，當從高磁場一側(cè)接近無限隨機量子臨界點時，有效臨界指數(shù)zν發(fā)散，證實了反常量子格里菲斯相的存在，其特征是臨界磁場隨著溫度降低而減??；而在平行磁場下，zν從低磁場一側(cè)接近無限隨機量子臨界點時發(fā)散，表明體系中出現(xiàn)正常量子格里菲斯相，其臨界磁場隨溫度降低而增大。此外，通過改變柵壓，研究團隊進一步實現(xiàn)了對反常量子格里菲斯相中反常相邊界的有效調(diào)節(jié)。理論分析表明，這種調(diào)控可歸因于量子臨界點附近不同的電導(dǎo)率修正，而這些修正由磁場方向和柵壓調(diào)節(jié)下具有強自旋軌道耦合的量子漲落引起。該工作不僅深化了對量子漲落如何影響量子格里菲斯相的理解，還為通過可控量子漲落探索奇異量子相變提供了新思路。