量子之谜：探索超导体-绝缘体转变中的异常状态

东京工业大学（Tokyo Tech）的科学家们研究了为何存在长达二十年之久的谜团，即为什么在二维超导体的超导体-绝缘体过渡中会出现异常的金属态。通过对热电效应的实验测量，他们发现量子涡旋的量子液态导致了异常的金属态。结果阐明了过渡的本质，并可能有助于设计用于量子计算机的超导设备。

自1911年发现以来，电流以零电阻流动的超导状态一直吸引着物理学家。不仅对其潜在的用途进行了广泛的研究，而且对量子现象有了更深入的了解。尽管与20世纪相比，现在科学家对这种特殊状态的了解要多得多，但似乎似乎还没有终结超导体所具有的奥秘。

著名的，与技术相关的示例是二维（2-D）材料中的超导体-绝缘体转换（SIT）。如果人们将某些材料的薄膜冷却至接近零温度的绝对温度并施加外部磁场，则热波动的影响将得到充分抑制，以至于宏观上纯粹的量子现象（例如超导性）占主导地位。尽管量子力学预测SIT是从一种状态到另一种状态的直接转变，但多项实验表明，在两个相之间都存在异常的金属态。

到目前为止，这种神秘的中间状态的起源已经使科学家们躲避了二十多年。这就是为什么日本东京理工大学物理系的一组科学家最近着手在《物理评论快报》上发表的一项研究中找到该问题的答案。领导该研究的助理教授永一郎一郎（Koichiro Ienaga）解释了他们的动机：“有一些理论试图解释二维超导体在零温度下的耗散电阻的起源，但是没有进行明确的使用电阻测量的实验演示来阐明这一点。为什么SIT与预期的量子相变模型不同。”

科学家采用了非晶态钼锗（MoGe）薄膜，该薄膜冷却至0.1 K的极低温度并施加了外部磁场。他们通过被称为“能斯特效应”的薄膜测量了横向热电效应，该薄膜可以灵敏和选择性地探测由移动磁通量引起的超导波动。结果揭示了有关异常金属态性质的重要信息：量子涡旋的“量子液态”导致了异常金属态。量子液态是由于量子涨落而即使在零温度下也不冻结的特殊状态。

最重要的是，实验发现，异常金属态是从量子临界中出现的。零温度下特殊的扩宽量子临界区对应于异常的金属态。这与普通SIT中零温度下的量子临界“点”形成鲜明对比。由纯粹的量子涨落（量子临界点）介导的相变一直是物理学中长期存在的难题，这项研究使我们更加了解二维超导体的SIT。Ienaga对总体结果感到兴奋，他说：“像我们在这项研究中所做的那样，在纯量子状态下精确地检测超导波动，为下一代超导设备（包括用于量子计算机的q位）开辟了一条新途径。”

既然这项研究已经揭示了两个十年来的老SIT之谜，将需要进一步的研究以更精确地理解量子涡旋在异常金属态中的作用。让我们希望，超导的巨大力量即将到来！