突破性研究揭示超净量子材料中隐藏的现象

在今天发表在《自然通讯》上的一篇论文中，研究人员在超净关联金属 SrVO 3样本中发现了以前未观察到的现象。这项研究提供了实验见解，挑战了这些不寻常金属的现行理论模型。来自德国保罗德鲁德固态电子研究所 (PDI)、橡树岭国家实验室 (ORNL)、宾夕法尼亚州立大学、匹兹堡大学、匹兹堡量子研究所和明尼苏达大学的国际研究团队相信，他们的发现将促使人们重新评估当前的电子关联效应理论，揭示这些系统中有价值现象的起源，包括磁性、高温超导性和极不寻常的透明金属的独特特性。

钙钛矿氧化物材料 SrVO 3被归类为费米液体，这种状态描述了金属中在足够低的温度下相互作用的电子系统。在传统金属中，导电的电子独立移动，通常称为费米气体。相比之下，费米液体的电子之间具有显著的相互作用，这意味着一个电子的运动会强烈影响其他电子。这种集体行为可以产生具有深远技术应用的独特电子特性，为相关金属中电子之间的相互作用提供见解。SrVO 3因其晶体和电子的简单性而成为研究电子相关现象的理想模型系统。这种简单性对于理解磁序或超导等复杂现象至关重要，这些现象会使理论和实验研究复杂化。

理解指导电子关联效应理论模型的实验结果的另一个关键因素是材料本身是否存在缺陷。研究负责人、柏林 PDI 主任 Roman Engel-Herbert 博士说：“如果你想要彻底了解凝聚态物理学中保守得最好的秘密之一，那么你必须在最纯粹的形式下研究它;在没有任何外部干扰的情况下。几乎没有缺陷的高质量材料至关重要。你需要合成超洁净材料。”

迄今为止，获得无缺陷的 SrVO 3样品似乎是一项难以克服的挑战。通过采用一种结合了分子束外延和化学气相沉积优点的创新薄膜生长技术，该团队实现了前所未有的材料纯度水平。今天发表的研究报告的第一作者 Matt Brahlek 博士量化了这一改进：“材料纯度的一个简单衡量标准是电流在室温下与在低温下流动的难易程度之比，称为残余电阻率比，即 RRR 值。如果金属含有许多缺陷，RRR 值就会很低，通常在 2-5 左右。我们已经能够合成 RRR 值几乎大 100 倍(200)的 SrVO 3薄膜，这为研究相关金属 SrVO 3的真实特性打开了大门。特别是，高材料质量首次允许进入高磁场下的特殊区域，在那里发现了惊喜。”

这个跨学科的科学家团队惊讶地发现了一系列奇特的传输现象，这些现象与之前在高缺陷样品上测量的传输特性形成了鲜明对比。他们的发现挑战了长期以来科学界关于 SrVO 3是一种简单费米液体的共识。

Engel-Herbert 解释道：“这种情况非常令人兴奋，但也令人费解。虽然我们在高度缺陷的样品中重现了之前报道的 SrVO 3的传输行为，但在具有高 RRR 值的超净样品中进行的相同测量结果却有所不同。”缺陷样品的结果允许对符合理论预期的结果进行直接解释。这些结果被用作实验证据，证明理论理解正确地捕捉到了 SrVO 3中的电子关联效应。然而，研究小组发现，对超净样品的测量结果无法如此轻易地解释。

Brahlek 补充道：“一个引人注目的观察结果是，金属中携带电的电子数量与温度和磁场无关。这当然是正确的，但对测量量的解释并不是对载流子浓度的直接测量。相反，这个量与材料特性的其他方面混合在一起，例如缺陷和温度如何影响电流。我们必须更深入地研究物理学才能理解我们所看到的。这就是它如此重要和令人兴奋的原因。”

研究人员相信，他们的发现可以作为完善理论模型的基础，并促使人们重新审视对表现出相当大的电子相关性的材料的既定观点和解释。

Engel-Herbert 表示：“作为实验物理学家，我们的工作是突破当前对自然的理解界限。只有这样，我们才能发现新事物，推动科学发展。作为凝聚态物理学家，关键是要不断完善我们的研究对象，挑战自己，突破材料的极限。这有可能让我们对这类材料的真实行为有新的认识，并能够全面解释所测量和观察到的现象。这需要一个跨学科的专家团队来完成。虽然这项工作尚未完成，但我们的研究结果为整个社区提供了一个机会，让他们重新调整理论;重新审视我们认为已经很好理解的材料，重新评估它们的应用潜力。”

研究团队包括研究负责人 Roman Engel-Herbert，他与 PI Matthew Brahlek(现就职于橡树岭国家实验室)共同构思和设计了这项实验，后者负责进行生长、磁输运测量和建模;Lei Zhang、Joseph D. Roth 和 Jason Lapano(宾夕法尼亚州立大学)协助进行生长和特性描述，Turan Birol(明尼苏达大学)提供理论支持，而来自匹兹堡大学的 Megan Briggeman、Patrick Irvin 和 Jeremy Levy 则确认并验证了对高磁场的磁输运测量。这项研究得到了美国能源部和国家科学基金会的支持。