图 基于组合单晶薄膜发现高温超导普适物理规律的实验流程

在国家自然科学基金项目（批准号：11888101、11927808、11834016、11961141008）等资助下，中国科学院物理研究所金魁研究员团队、胡江平研究员团队与美国马里兰大学合作者利用材料基因工程“连续组分外延薄膜与匹配的跨尺度表征技术”获得了奇异金属散射与高温超导转变温度之间的普适物理规律，揭示了非常规超导与奇异金属态这两大跨世纪难题具有共同驱动机制，走出了高温超导“量变导致质变”的关键一步。该成果以“非常规超导体的奇异金属标度率（Scaling of the strange-metal scattering in unconventional superconductors）为题，于2022年2月17日在《自然》（Nature）杂志刊发，文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04305-5。

经过36年的研究，高温超导机理仍未达成共识，究其原因，高温超导体系的复杂性使得研究者对决定其转变温度的重要物理量认识仍然不足，尚未能启发理论突破。随着研究不断深入，越来越多的证据表明高温超导的奥秘可能存在于产生超导的正常态当中。对铜氧化物超导体，其正常态电阻率ρ随温度T表现出线性依赖（即Δρ=A1T）的“奇异金属”行为，与费米液体金属的平方关系（Δρ=A2T2）相悖，成为高温超导体正常态中最为“不正常”的特性。同高温超导的机理一样，奇异金属行为的微观起源也是凝聚态物理的一大未解之谜。已有的实验结果显示奇异金属态与高温超导相辅相成，因此揭示它们之间的内在量化联系，有望为进一步揭示高温超导机理提供重要线索。

受组分控制精度限制，使用传统的单点研究模式难以得到足够数量的高精度数据，这使得获取两者之间的定量化规律成为一个极具挑战性的课题。金魁研究员带领团队发挥超导组合薄膜技术特色，长期深入研究一类关键高温超导体系La2-xCexCuO4（LCCO），利用组合激光分子束外延技术在1 平方厘米单晶衬底上成功制备出沿一个方向具有连续化学组分梯度（0.10≤x≤0.19）的单一取向LCCO超导组合薄膜，实现了从最佳超导掺杂（x = 0.10）到费米液体金属（x = 0.19）的连续变化。在此基础上，结合团队发展的从毫米到微米的跨尺度结构和输运表征技术，将物性分辨率提升两个数量级至万分之一，从而精确地确定了量子临界组分xc，并首次观察到了超导转变温度Tc、相对掺杂组分（x-xc）与奇异金属散射率A1三者之间的定量化规律Tc ~ （x-xc）0.5 ~ A10.5。更重要的是，从LCCO中获得的Tc ~ A10.5规律可推广至多类非常规超导体系，具有普适性，表明奇异金属态与非常规超导态有共同的驱动因素。传统实验方法三年时间只有个别数据点，而基于新一代全流程高通量实验（图），团队只需要数月时间就积累足够数量的可靠数据。

这一工作体现了材料基因计划与超导研究的深度交叉融合，是数据积累和应用的典型成功案例。研究团队将继续发展和使用新一代高通量实验技术，系统地探索产生高温超导电性的其它关键因素，同时推广该实验技术，加速其它量子材料体系的研究。