北大王健团队重要突破！QD中国PPMS样机助力铁基界面超导体中的高温反常金属态研究

近日，王健教授课题组与其合作者，在二维界面高温超导体FeSe/SrTiO₃中观测到了接近20 K的高温玻色反常金属态，是迄今为止特征温度最高的玻色反常金属态。该篇工作以"High-Temperature Anomalous Metal States in Iron-Based Interface Superconductors”为题^[1]，于2024年5月31日在线发表于《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett.）。

本研究采用分子束外延生长技术，在SrTiO₃（STO）衬底上制备了一系列1~5原胞厚度的高质量晶态FeSe薄膜，并基于Quantum Design PPMS设备开展了系统的极低温强磁场下的电磁输运实验研究。

零磁场下，典型的超导FeSe薄膜随温度的降低，展现出弱局域金属态（正常态）向超导态的转变，超导起始转变温度可以超过40K，超导零电阻转变温度接近20K。而对于正常态电阻稍大的FeSe薄膜——如本文S2号样品，随着超导转变的发生，电阻先下降，然后低温下趋近于一个饱和的非零值，这意味着反常金属态的出现，其零磁场下反常金属态的最高特征温度可达19.7K，与超导起始转变温度的比值可达56.1%。远高于其他体系的反常金属态。垂直外磁场的施加会导致超导转变过程展宽，抑制反常金属态的出现。另外S3号样品同步测试了霍尔系数和纵向电阻，随超导转变的发生，霍尔系数由负值逐渐逼近0，同时纵向电阻也逐渐趋于饱和，表明该金属态具有与超导态类似的粒子空穴对称性，暗示其输运性质由玻色型库伯对主导。

图1 二维晶态FeSe薄膜的高温反常金属态。（a）S2号样品在不同垂直磁场下的电阻温度依赖曲线，零磁场下反常金属态特征温度高达19.7K。（b）S3号样品的同步霍尔/电阻温度依赖曲线。（c）不同材料体系中，反常金属特征温度以及与超导起始转变温度比值的统计。

相较于mK温区的一些反常金属态，该体系高温反常金属态的发现，不仅可以排除可能的外部高频噪声的影响，而且使得在较宽温区探索反常金属态的演变成为可能。为调控其输运性质，本文首先在FeSe薄膜上刻蚀纳米孔洞，形成二维约瑟夫森结阵列结构，对于210s刻蚀时间的薄膜，反常金属态的特征温度仅为0.4K，相较于未刻蚀晶态薄膜，特征温度降低了两个量级。同时，其磁阻数据展现出h/2e的振荡周期，符合库伯对的量子振荡，揭示了反常金属态的玻色本质。

图2 刻蚀纳米孔洞阵列的FeSe薄膜的反常金属态。（a）刻蚀纳米结构示意图。（b）刻蚀薄膜的I-V曲线展现出欧姆行为。（c）不同磁场下的电阻温度依赖曲线表明，零磁场下反常金属态特征温度仅为0.4K。（d）-0.8T到0.8T下的磁阻展现出量子振荡，与超导磁通量子振荡周期吻合。