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量子材料與量子相變是本世紀(jì)凝聚態(tài)物理與材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。量子相變與傳統(tǒng)的熱力學(xué)相變不同，是在絕對(duì)零度下調(diào)節(jié)非熱力學(xué)參量而發(fā)生的相變，相變點(diǎn)附近量子漲落而非熱漲落起了重要作用。作為量子相變的經(jīng)典范例，二維超導(dǎo)-絕緣體相變以及超導(dǎo)-金屬相變研究獲得了2015年美國(guó)凝聚態(tài)物理最高獎(jiǎng)巴克利獎(jiǎng)。在量子相變過(guò)程中，除超導(dǎo)基態(tài)和絕緣基態(tài)外，量子金屬態(tài)是否存在于二維超導(dǎo)體系一直是理論與實(shí)驗(yàn)上爭(zhēng)論的焦點(diǎn)（Rev. Mod. Phys.91, 11002 (2019)）。根據(jù)安德森標(biāo)度理論，由于量子干涉效應(yīng)以及相位相干長(zhǎng)度在零溫下發(fā)散的特性，載流子在趨于絕對(duì)零度時(shí)會(huì)表現(xiàn)出局域化效應(yīng)，因此理論上不存在二維量子金屬基態(tài)。盡管實(shí)驗(yàn)上在各種二維電子體系發(fā)現(xiàn)了量子金屬態(tài)的可能跡象，但受低臨界溫度的制約以及外界高頻噪聲的影響（Science Advances 5, 3826 (2019)），二維量子金屬態(tài)的存在與否仍存在著巨大爭(zhēng)議，是近三十年來(lái)國(guó)際學(xué)術(shù)界一直懸而未決的重要物理問(wèn)題。 最近，北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料中心王健教授、博雅博士后劉易與合作者在高溫超導(dǎo)納米多孔薄膜中首次完全證實(shí)了量子金屬態(tài)的存在。通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)離子刻蝕的時(shí)間，研究團(tuán)隊(duì)在高溫超導(dǎo)釔鋇銅氧（YBCO）多孔薄膜中實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)-量子金屬-絕緣體相變。量子金屬態(tài)存在的直接證據(jù)是體系的電阻隨著溫度降低表現(xiàn)出飽和特性，在高溫超導(dǎo)體YBCO薄膜中，該電阻飽和溫度高達(dá)5K，這一溫度相比于傳統(tǒng)超導(dǎo)體系提高了1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，大大提升了量子金屬態(tài)的穩(wěn)定性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度。通過(guò)高頻濾波器極低溫對(duì)照實(shí)驗(yàn)表明，是否添加濾波器對(duì)體系的電阻在低溫下的飽和規(guī)律沒(méi)有明顯的作用，有效地排除了外界高頻噪聲對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，為量子金屬態(tài)的存在提供了可靠的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。實(shí)驗(yàn)還揭示了量子金屬態(tài)的霍爾電阻為零歐姆，意味著量子金屬態(tài)具有與超導(dǎo)體類(lèi)似的粒子空穴對(duì)稱性（particle-hole symmetry）。 此外，實(shí)驗(yàn)表明量子金屬態(tài)在低溫下滿足歐姆定律且具有巨磁阻效應(yīng)，這些發(fā)現(xiàn)也與理論上對(duì)量子金屬態(tài)的預(yù)期吻合。 研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)系統(tǒng)的極低溫電輸運(yùn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，超導(dǎo)，金屬與絕緣這三個(gè)量子基態(tài)都有與庫(kù)珀電子對(duì)相關(guān)的h/2e周期的超導(dǎo)量子磁通振蕩，這表明量子金屬態(tài)與傳統(tǒng)金屬不同，是玻色金屬態(tài)，揭示了庫(kù)珀對(duì)玻色子對(duì)量子金屬態(tài)的形成起到了主導(dǎo)作用。（注：傳統(tǒng)金屬中導(dǎo)電是電子，也即費(fèi)米子）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于超導(dǎo)態(tài)的樣品，量子振蕩振幅隨溫度的降低迅速增加而發(fā)散; 對(duì)于絕緣態(tài)的樣品，振幅隨溫度的降低先迅速增加然后在低溫下衰減; 而對(duì)于量子金屬態(tài)的樣品，振幅隨溫度的降低先迅速增加然后在低溫下飽和。進(jìn)一步分析揭示出振蕩振幅飽和對(duì)應(yīng)于相位相干長(zhǎng)度飽和，是量子金屬形成的一種可能機(jī)制。有意思的是通過(guò)調(diào)控正常態(tài)電阻僅兩個(gè)數(shù)量級(jí)，量子振蕩振幅從超導(dǎo)態(tài)樣品到最絕緣的樣品變化了九個(gè)數(shù)量級(jí)，這意味著多孔高溫超導(dǎo)體系具備很好的相位相干調(diào)控性。 該工作于2019年11月14日在線發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《Science》上。（DOI: 10.1126/science.aax5798；https://science.sciencemag.org/content/early/2019/11/13/science.aax5798）。北京大學(xué)王健教授、布朗大學(xué)James M. Valles Jr 教授、電子科技大學(xué)熊杰教授是本文的共同通訊作者，電子科技大學(xué)博士生楊超和北京大學(xué)博士后劉易為文章共同第一作者，北京大學(xué)為第一通訊作者單位。這一工作的主要合作者還包括布朗大學(xué)Jimmy Xu教授，北京大學(xué)林熙研究員，北京師范大學(xué)劉海文研究員，清華大學(xué)姚宏教授，電子科技大學(xué)李言榮院士等。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、中科院卓越創(chuàng)新中心、低維物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金、北京市自然科學(xué)基金、北京市交叉科學(xué)與技術(shù)基金、博士后科學(xué)基金等支持。 二維高溫超導(dǎo)體系中量子玻色金屬態(tài)的證實(shí)是王健研究組與合作者繼量子格里菲斯奇異性發(fā)現(xiàn)以來(lái)（Science 350, 509 (2015)); Nature Communications 10, 3633 (2019)），在二維超導(dǎo)量子相變領(lǐng)域的又一重要突破。該工作為國(guó)際上爭(zhēng)論了三十多年的量子金屬態(tài)的存在提供了有力的證據(jù)，并為研究量子金屬態(tài)提供了新思路。該工作也得到了美國(guó)科學(xué)院院士斯坦福大學(xué)Steven A. Kivelson教授的高度評(píng)價(jià)，評(píng)論文章發(fā)表在Journal Club for Condensed Matter Physics（凝聚態(tài)物理期刊俱樂(lè)部）上。Kivelson教授指出：“這一工作對(duì)量子材料的理解具有基礎(chǔ)性的重要意義”。圖一， 釔鋇銅氧（YBCO）納米多孔薄膜中的超導(dǎo)-量子金屬-絕緣體量子相變。(A)用多孔氧化鋁（AAO）模板蝕刻法制備YBCO納米多孔薄膜的工藝示意圖。(B) YBCO納米多孔薄膜掃描電鏡（SEM）圖像。(C) YBCO納米多孔薄膜的幾何結(jié)構(gòu)示意圖。(D)不同刻蝕時(shí)間下YBCO納米多孔薄膜的電阻對(duì)溫度的依賴關(guān)系。超導(dǎo)態(tài)(SC)、反常金屬態(tài)(AM1)、過(guò)渡態(tài)(TS)和絕緣態(tài)(INS)四種典型薄膜的電阻溫度曲線用黑色表示。圖二,量子金屬態(tài)證據(jù)。(A)量子金屬態(tài)薄膜和超導(dǎo)薄膜的輸運(yùn)曲線。其中低溫下電阻的飽和行為為量子金屬態(tài)的特征。(B) 量子金屬態(tài)薄膜極低溫輸運(yùn)曲線。是否采用高頻濾波器并不改變量子金屬態(tài)飽和電阻的特征。插圖: 量子金屬態(tài)薄膜的I-V曲線，符合歐姆定律，亦為量子金屬態(tài)的證據(jù)。(C)典型量子金屬態(tài)薄膜的霍爾電阻和縱向電阻隨溫度的變化圖。霍爾電阻(Rxy)在低溫下趨于零，而縱向電阻不為零，表現(xiàn)出量子金屬態(tài)的特征。插圖: 量子金屬態(tài)薄膜不同溫度下的霍爾電阻(Rxy)。(D) 量子金屬態(tài)薄膜的巨磁阻效應(yīng)，與理論上對(duì)量子金屬態(tài)的預(yù)期相符。圖三，庫(kù)柏對(duì)在量子相變過(guò)程中的相干性衍變 (A)超導(dǎo)態(tài)、(B) 量子金屬態(tài)、(C)絕緣態(tài)的磁導(dǎo)振蕩圖。 (D) 不同溫度下，所有YBCO薄膜的磁導(dǎo)振蕩的振幅。對(duì)于量子金屬態(tài)薄膜，磁導(dǎo)振蕩的振幅隨溫度的降低在5 K左右而飽和。而超導(dǎo)態(tài)薄膜磁導(dǎo)振蕩的振幅在低溫下發(fā)散，絕緣態(tài)薄膜磁導(dǎo)振蕩的振幅隨著溫度降低先增加后減小。(E) 通過(guò)相位相干的近似模型，計(jì)算得到量子金屬態(tài)的相位相干長(zhǎng)度在低溫下飽和。揭示了量子金屬形成的一種可能機(jī)制。

實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖，原子能級(jí)以及與原子相互作用的光脈沖序列復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系精密測(cè)量物理與量子光學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展國(guó)際合作研究，在突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限的精密測(cè)量研究中取得系列重要進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)利用預(yù)測(cè)和回溯測(cè)量的方法，實(shí)現(xiàn)了迄今含原子數(shù)最多的原子自旋壓縮以及突

本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了一種量子保密通信保障信息傳輸安全條件下的量子安全云智慧考場(chǎng)作弊防控新技術(shù)，并成功地開(kāi)發(fā)了量子安全云智慧偵測(cè)器屏蔽、量子安全偵測(cè)等終端產(chǎn)品， 所開(kāi)發(fā)完成的量子安全云智慧考場(chǎng)技防平臺(tái)，確保考試安全和公平公正”的明確指示，針對(duì)當(dāng)前無(wú)線電作弊的現(xiàn)狀和未來(lái)趨勢(shì)，實(shí)施有效的考場(chǎng)電子防衛(wèi)。該系統(tǒng)偵測(cè)范圍涵蓋當(dāng)前已知的幾乎所有無(wú)線電作弊設(shè)備（包括語(yǔ)音通信、字符通信以及手機(jī)/對(duì)講機(jī)等），兼具實(shí)時(shí)偵測(cè)、作弊信號(hào)識(shí)別、作弊信號(hào)內(nèi)容探測(cè)、作弊信號(hào)還原取證、對(duì)作弊信號(hào)實(shí)施阻斷等多種能力。功能全面強(qiáng)大，易于部署，且能夠接入考務(wù)綜合管理平臺(tái)，通過(guò)數(shù)據(jù)接口鏈接支持與巡查指揮等其他系統(tǒng)的互聯(lián)互通和協(xié)同工作，是目前業(yè)內(nèi)最先進(jìn)最完整的高科技作弊防控解決方案。 

超高的遷移率、超低載流子濃度，以及單個(gè)費(fèi)米口袋特性是整個(gè)實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵所在。他們研究了多種高品質(zhì)的ZrTe5晶體，該材料在2014年被中科院物理所翁紅明、戴希和方忠等人預(yù)測(cè)可能具有非平庸的拓?fù)湫浴Ｔ诘蜏睾托〈艌?chǎng)條件下，通過(guò)量子振蕩輸運(yùn)測(cè)量和分析手段，可以重構(gòu)出一個(gè)非常清晰的閉合費(fèi)米面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種封閉的三維費(fèi)米面可以與準(zhǔn)二維體系明確分開(kāi)，在量子極限

徐虎課題組發(fā)現(xiàn)具有量子谷Berry Phase的拓?fù)渎曌討B(tài)在二維六角晶格材料中普適存在。隨著研究的深入，拓?fù)洳牧系姆诸?lèi)越來(lái)越豐富和多樣化。到目前為止，拓?fù)洳牧系难芯恐饕性谫M(fèi)米子相關(guān)的系統(tǒng)。隨著研究水平的進(jìn)一步發(fā)展，拓?fù)涞牟Ｉ酉到y(tǒng)也越來(lái)越引起人們的關(guān)注，例如光子晶體、聲子晶體等人工晶體中的拓?fù)洮F(xiàn)象等。但是，固體中的THz頻率段的拓?fù)渎曌拥难芯肯鄬?duì)緩慢。理論研究表明，拓?fù)渎曌訉?duì)研究量子聲子霍爾效應(yīng)、拓?fù)渎曌訜崞骷染哂兄匾饔谩Ｒ虼耍诂F(xiàn)實(shí)材料中尋找拓?fù)渎曌討B(tài)是相關(guān)領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。 在研究中，徐虎課題組研究人員采用基于密度泛函理論的晶格動(dòng)力學(xué)計(jì)算，根據(jù)二階力常數(shù)矩陣構(gòu)造類(lèi)似于電子系統(tǒng)的緊束縛哈密頓量，從而可以獲得聲子系統(tǒng)的Berry 相和拓?fù)溥吘墤B(tài)。在此基礎(chǔ)上，他們結(jié)合高通量計(jì)算，發(fā)現(xiàn)具有量子谷Berry相的Dirac聲子態(tài)在二維六角晶格材料中普適存在(圖3a)。研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步研究拓?fù)渎曌討B(tài)以及其實(shí)際應(yīng)用具有重要作用。 近兩年，徐虎課題組致力于拓?fù)洳牧系睦碚擃A(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)方面的研究工作，以南方科技大學(xué)物理系為第一單位發(fā)表1篇Phys. Rev. Lett.，1篇Nano Lett.和8篇Phys. Rev. (其中5篇為Phys. Rev. B Rapid Communications)。

項(xiàng)目成果/簡(jiǎn)介:1）提出冷原子實(shí)現(xiàn)和探測(cè)相對(duì)論狄拉克粒子的理論,并預(yù)言可觀測(cè)相應(yīng)的拓?fù)湎嘧儯凰固垢！TH和Nice大學(xué)的實(shí)驗(yàn)觀察到。2）揭示了幾何相位和量子相變的內(nèi)在定量聯(lián)系。3）是國(guó)際上最早研究冷原子幾何相位誘導(dǎo)規(guī)范勢(shì)的少數(shù)理論組之一，提出實(shí)現(xiàn)原子自旋霍爾效應(yīng)理論，并被NIST實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。冷原子相對(duì)論效應(yīng)和誘導(dǎo)規(guī)范勢(shì)已逐步成為當(dāng)前量子模擬的新熱點(diǎn)研究。4）提出了非絕熱和非常規(guī)幾何量子計(jì)算理論，解決了原絕熱理論不易在實(shí)際體系中實(shí)現(xiàn)的困難，已被7個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。發(fā)表的20 篇核心論文中，PRL10 篇，被Nature、Science、PRL等SCI 論文他引1137次，8篇代表論文他引602次。

1）提出冷原子實(shí)現(xiàn)和探測(cè)相對(duì)論狄拉克粒子的理論,并預(yù)言可觀測(cè)相應(yīng)的拓?fù)湎嘧儯凰固垢！TH和Nice大學(xué)的實(shí)驗(yàn)觀察到。2）揭示了幾何相位和量子相變的內(nèi)在定量聯(lián)系。3）是國(guó)際上最早研究冷原子幾何相位誘導(dǎo)規(guī)范勢(shì)的少數(shù)理論組之一，提出實(shí)現(xiàn)原子自旋霍爾效應(yīng)理論，并被NIST實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。冷原子相對(duì)論效應(yīng)和誘導(dǎo)規(guī)范勢(shì)已逐步成為當(dāng)前量子模擬的新熱點(diǎn)研究。4）提出了非絕熱和非常規(guī)幾何量子計(jì)算理論，解決了原絕熱理論不易在實(shí)際體系中實(shí)現(xiàn)的困難，已被7個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。發(fā)表的20 篇核心論文中，PRL10 篇，被Nature、Science、PRL等SCI 論文他引1137次，8篇代表論文他引602次。

本方法以丙三醇作為溶劑及碳源快速制備大量粒徑小于 10 nm 的碳量子點(diǎn)。這種碳量子點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率能夠達(dá)到 30 %左右。制 備好的碳量子點(diǎn),不需要任何提純即可與成膜性較好的高聚物混合得 到熒光碳量子點(diǎn)薄膜。而且這種碳量子點(diǎn)毒性低，水溶性好，熒光量 子產(chǎn)率高，在細(xì)胞及活體成像方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。總之，該制備方 法簡(jiǎn)單易行，材料來(lái)源廣泛且廉價(jià)，產(chǎn)率大。所得的熒光碳量子點(diǎn)具 有熒光量子產(chǎn)率高、易成膜、低細(xì)胞毒性且耐光漂白等性質(zhì)，已經(jīng)作 為生物成像劑用于細(xì)胞的熒光共聚焦成像

要實(shí)現(xiàn)三維量子霍爾效應(yīng)，就需要達(dá)到所謂的極端量子極限條件（Extreme Quantum Limit）。這個(gè)實(shí)驗(yàn)條件要求異常苛刻，如果選用常用的金屬銅塊作為研究對(duì)象，要施加超過(guò)3000特斯拉的磁場(chǎng)才能進(jìn)入極端量子極限態(tài)，而這是當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)條件無(wú)法提供的。因此，三維量子霍爾效應(yīng)方向的研究一度處于幾乎停頓的狀態(tài)。 為了滿足這項(xiàng)苛刻的條件，張立源團(tuán)隊(duì)巧妙地選用了高品質(zhì)的五碲化鋯（ZrTe5）晶

以丙三醇作為溶劑及碳源快速制備大量粒徑小于 10 nm 的 碳量子點(diǎn)。這種碳量子點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率能夠達(dá)到 30 %左右。制備 好的碳量子點(diǎn),不需要任何提純即可與成膜性較好的高聚物混合得到 熒光碳量子點(diǎn)薄膜。