近日，電子科技大學牽頭與北京大學、北京師範大學、清華大學、美國布朗大學等相關專家組成的研究團隊，在國際上首次完全證實高溫超導納米多孔薄膜中量子金屬態的存在，為研究量子金屬態提供了新思路。
該成果相關論文《超導—絕緣相變中的玻色金屬態》已在國際著名期刊《科學》上以「first release（首次發布）」形式刊發。
博士生楊超（導師為李言榮院士）為該論文第一作者。熊杰教授為通訊作者，張萬里教授、李言榮院士為共同作者。這是電子科技大學首次以第一作者、第一單位在《科學》正刊發表原創成果，這標誌著該團隊在高溫超導量子相變方向取得了重大研究進展。
從量子力學提出之後，人類就一直想要將量子力學應用於生活之中，而量子材料就是科學家的一個探索方向，上世紀五十年代以來，以矽（Si）材料為代表的第一代半導體材料取代了笨重的電子管引發了集成電路（IC）為核心的微電子領域迅速發展，矽作為集成電路最基礎的材料，構築了整個信息產業的最底層支撐。
然而隨著計算機的發展，半導體製程的不斷突破，使得矽晶片的使用已經到達了物理極限，再加上矽材料的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場較低，矽在光電子領域和高頻高功率器件方面的應用受到諸多限制，在高頻下工作性能較差，不適用於高壓應用場景，光學性能也得不到突破。
所以科學家一直想用新材料來代替矽，科學家認為，新材料的突破將對整個半導體行業進行大洗牌，終結整個以矽為核心的半導體時代，並且可能帶來第四次工業革命。
所以新材料的探索是各個國家是每個國家的熱點領域，美國就直言：
如果沒有新的科學技術，美國在製造計算機晶片方面的領先優勢可能會被其他國家的半導體製造商所取代。
所以如果中國可以在新材料上取得突破，那麼不管是光刻機還是晶片等半導體我們都將不用再受制於美國，因為我們將引領新的半導體革命。
砷化鎵、氮化鎵都成為了科學家探索的方向，當然，還有量子材料。量子材料（石墨烯也屬於量子材料）屬於一大類新材料——溶液納米晶中的一種。溶液納米晶具有晶體和溶液的雙重性質。量子材料被科學家認為是最有可能引發新一輪半導體革命、終結矽時代的新材料！
英特爾公司2018年年底就發現了一種新的量子材料——多鐵性材料和拓撲材料，他們通過研究發現，多鐵性材料和拓撲材料轉化為能夠提供10到100倍能量的邏輯和存儲器件 -對於基於CMOS(互補金屬氧化物半導體)的當前微處理器的可預見的改進是有效的。
而我國科學家的這次發現更是意義重大。
這裡面還涉及到凝聚態物理中的量子相變，相變是指物質在外部參數（如：溫度、壓力、磁場等等）連續變化之下，從一種相（態）忽然變成另一種相，最常見的是冰變成水和水變成蒸氣。然而，除了物體的三相變化（固態、液態、氣態）自然界還存在許許多多的相變現象，例如日常生活中另一種較常見的相變是加熱一塊磁鐵，磁鐵的鐵磁性忽然消失。
而量子相變是指發生在絕對零度的相變現象。與熱相變不同的是，熱相變的發生是由於熱擾動所造成，而量子相變是經由量子漲落所造成。量子相變的發生代表著在量子多體系統中基態的性質隨著外部參數發生突然的驟變。
作為量子相變的經典範例，二維超導-絕緣體相變以及超導-金屬相變研究獲得了2015年美國凝聚態物理最高獎巴克利獎。在二維超導的量子相變過程中，除超導態與絕緣態兩種基態外，是否存在量子金屬態一直是理論與實驗上爭論的焦點。
尤其是自高溫超導發現以來，二維量子金屬態的存在及其形成機制，是30餘年來國際學術界一直懸而未決的重要物理問題。
根據安德森標度理論，由於量子干涉效應以及相位相干長度在零溫下發散的特性，載流子在趨於絕對零度時會表現出局域化效應，因此理論上不存在二維量子金屬態。
儘管實驗上在各種二維超導體系發現了量子金屬態的可能跡象，但受低臨界溫度的制約以及外界高頻噪聲的影響，二維量子金屬態是否存在仍存在著巨大爭議。
該團隊在「千瘡百孔」的超薄釔鋇銅氧（YBCO）高溫超導薄膜中，首次發現了量子金屬態的存在，該團隊通過調節反應離子刻蝕的時間，在高溫超導釔鋇銅氧（YBCO）多孔薄膜中實現了超導—量子金屬—絕緣體相變；通過極低溫輸運測試發現，超導、金屬與絕緣這三個量子態都有與庫珀電子對相關的h/2e周期的超導量子磁導振蕩，證明量子金屬態是玻色金屬態，揭示出庫珀對玻色子對於量子金屬態的形成起到了主導作用。
庫珀對在量子相變過程中的相干性衍變 (A)超導態、(B) 量子金屬態、(C)絕緣態的磁導振蕩圖。 (D) 不同溫度下，所有YBCO薄膜的磁導振蕩的振幅。對於量子金屬態薄膜，磁導振蕩的振幅隨溫度的降低在5K左右而飽和。而超導態薄膜磁導振蕩的振幅在低溫下發散，絕緣態薄膜磁導振蕩的振幅隨著溫度降低先增加後減小。(E) 通過相位相干的近似模型，計算得到量子金屬態的相位相干長度在低溫下飽和。揭示了量子金屬形成的一種可能機制
量子金屬態存在的直接證據是體系的電阻隨著溫度降低表現出飽和特性，在高溫超導體YBCO薄膜中，該電阻飽和溫度高達5K，這一溫度相比於傳統超導體系提高了1—2個數量級，大大提升了量子金屬態的穩定性和實驗結果的可信度。
而通過高頻濾波器極低溫對照實驗表明，是否添加濾波器對體系的電阻在低溫下的飽和規律沒有明顯的作用，有效地排除了外界高頻噪聲對實驗的影響，為量子金屬態的存在提供了可靠的實驗證據。
實驗還揭示了量子金屬態的霍爾電阻為零歐姆，意味著量子金屬態具有與超導體類似的粒子空穴對稱性（particle-hole symmetry）。此外，實驗表明量子金屬態在低溫下滿足歐姆定律且具有巨磁阻效應，這些發現也與理論上對量子金屬態的預期吻合。
釔鋇銅氧（YBCO）納米多孔薄膜中的超導-量子金屬-絕緣體量子相變。(A)用多孔氧化鋁（AAO）模板蝕刻法製備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構示意圖。(D)不同刻蝕時間下YBCO納米多孔薄膜的電阻對溫度的依賴關係。超導態(SC)、量子金屬態(AM1)、過渡態(TS)和絕緣態(INS)四種典型薄膜的電阻溫度曲線用黑色表示
總結來說，這次實驗證實了高溫超導材料中從超導態到絕緣態的轉變過程中的確存在一個中間量子金屬態，形成了超導—量子金屬—絕緣體相變。
量子金屬態證據。(A)量子金屬態薄膜和超導薄膜的輸運曲線。其中低溫下電阻的飽和行為為量子金屬態的特徵。(B) 量子金屬態薄膜極低溫輸運曲線。是否採用高頻濾波器並不改變量子金屬態飽和電阻的特徵。插圖: 量子金屬態薄膜的I-V曲線，符合歐姆定律，亦為量子金屬態的證據。(C)典型量子金屬態薄膜的霍爾電阻和縱向電阻隨溫度的變化圖。霍爾電阻(Rxy)在低溫下趨於零，而縱向電阻不為零，表現出量子金屬態的特徵。插圖: 量子金屬態薄膜不同溫度下的霍爾電阻(Rxy)。(D) 量子金屬態薄膜的巨磁阻效應，與理論上對量子金屬態的預期相符
這一研究成果攻克了世界級的物理難題，為國際上爭論了三十多年的量子金屬態的存在提供了有力的證據，並為研究量子金屬態提供了新思路。將極大程度地推動量子材料的發展。
得到了美國科學院院士、史丹福大學S.A. Kivelson教授的高度評價：「對於量子金屬起源的探索將會改變我們對量子材料的認識，將極大地推動量子器件領域的發展。」
團隊成員北京大學物理學院量子材料中心王健教授王健稱：表現為玻色子的庫珀對導致這種金屬態令人驚訝，因為有量子理論認為這不可能。這一新物質態可被稱為玻色金屬、量子金屬或反常金屬，理解這一狀態有望開啟新物理學，但仍需更多研究。此外，高溫超導體系中量子玻色金屬的證實不僅對量子材料的認知具有重要意義，也有望催生新型電子器件。