超清洁材料中的量子惊喜重新定义了金属物理学

诸平

Fig. 1 Researchers have discovered new phenomena in an ultra-clean sample of SrVO₃, challenging existing theories on electron correlations in metals. Credit: SciTechDaily.com

Fig. 2 Flowing electricity through materials is a simple way to understand their properties. Measurements of ultraclean SrVO₃ shown on the left schematically in the Hall bar device and the electron microscopy image, give new insight into the basic phenomena found in correlated electron materials. This is in contrast to SrVO₃ that is dense with defects (right). The quality of the materials is manifest in the resistivity versus temperature where the ratio of the resistivity at room temperature to low temperature, RRR indicate the quality, shown in the plot. Credit: ORNL

据德国保罗·德鲁德固体电子学研究所{Paul Drude Institute for Solid State Electronics (PDI), Germany}2024年6月25日提供的消息，超清洁材料中的量子惊喜重新定义了金属物理学（Quantum Surprises in Ultra-Clean Materials Redefine Metal Physics）。

新的发现表明，需要重新评估当前的电子相互作用理论，从而更好地理解磁性、高温超导性和透明金属的行为。研究人员在2024年6月24日发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上的一篇论文中，揭示了在相关金属SrVO₃的超清洁样本中以前未观察到的现象。原文详见：Matthew Brahlek, Joseph D. Roth, Lei Zhang, Megan Briggeman, Patrick Irvin, Jason Lapano1, Jeremy Levy, Turan Birol, Roman Engel-Herbert. Hidden transport phenomena in an ultraclean correlated metal. Nature Communications, 2024, 15, Article number: 5304. DOI: 10.1038/s41467-024-48043-4. Published: 24 June 2024. https://www.nature.com/articles/s41467-024-48043-4. 这项研究提供了挑战这些不寻常金属的主流理论模型的实验见解。

来自德国保罗德鲁德固态电子研究所(PDI)、美国橡树岭国家实验室{Oak Ridge National Laboratory (ORNL)}、美国宾夕法尼亚州立大学（Pennsylvania State University）、美国匹兹堡大学（University of Pittsburgh）、匹兹堡量子研究所（Pittsburgh Quantum Institute）以及美国明尼苏达大学（University of Minnesota）的研究人员组成的研究团队，他们相信，他们的发现将促使人们重新评估当前关于电子相关效应的理论，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。

费米液体的特殊性质（The Peculiar Properties of Fermi Liquids）

钙钛矿氧化物材料（perovskite oxide material）SrVO₃被归类为费米液体（Fermi liquid），这种状态描述了在足够低的温度下金属中电子相互作用的系统。在传统金属中，导电的电子独立运动，通常被称为费米气体（Fermi gas）。相比之下，费米液体的特点是电子之间有显著的相互作用，这意味着一个电子的运动强烈影响其他电子。

这种集体行为可以导致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。SrVO₃具有结晶性和电子简单性，是研究电子相关现象的理想模型体系。这种简单性对于理解复杂现象至关重要，例如磁有序（magnetic order）或超导性（superconductivity），这可能使理论和实验研究复杂化。

材料纯度对实验精度的影响（The Impact of Material Purity on Experimental Accuracy）

理解指导电子相关效应（electron correlation effects）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。上述研究的负责人、德国柏林PDI主任罗曼·恩格尔-赫伯特博士（Dr Roman Engel-Herbert）说:“如果你想了解凝聚态物理学中保存最好的秘密之一，那么你必须以最纯粹的形式研究它;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是必不可少的。你需要合成超干净的材料。”

到目前为止，获得无缺陷的SrVO₃样品似乎是一个无法克服的挑战。通过采用一种创新的薄膜生长技术（thin film growth technique），结合了分子束外延（molecular beam epitaxy）和化学气相沉积（chemical vapor deposition）的优点，该团队实现了前所未有的材料纯度。

上述研究的第一作者Matt Brahlek博士量化了这一改进:“材料纯度的一个简单衡量标准，是室温下电流与低温下电流流动的容易程度之比，称为残余电阻率(residual resistivity ratio简称RRR)值。如果金属含有许多缺陷，则RRR值较低，通常在2~5左右。我们已经能够合成RRR比SrVO₃大近100倍的SrVO₃薄膜，为研究相关金属SrVO₃的真实性质打开了大门。特别是，高质量的材料首次允许在高磁场下进入特殊区域，在那里发现了惊喜。

前所未有的发现挑战了既定的理论（Unprecedented Findings Challenge Established Theories）

这个跨学科的科学家团队惊讶地发现了一系列奇特的输运现象，这些现象与之前在高度缺陷的样品上测量到的输运性质形成鲜明对比。他们的发现挑战了长期以来的科学共识，即SrVO₃是一种简单的费米液体。

罗曼·恩格尔-赫伯特解释说：“这种情况非常令人兴奋，但也令人困惑。虽然我们在我们的高缺陷样品中重现了先前报道的SrVO₃的运输行为，但在具有高RRR值的超净样品中相同的测量结果不同。”缺陷样本的结果允许对符合理论期望的结果进行直接解释。这些结果作为实验证据，证明理论认识正确地捕捉到了SrVO₃中的电子相关效应。然而，研究小组发现，对超净样品的测量结果不能如此容易地解释。

Matt Brahlek补充说:“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。这当然是对的，但是对测量量的解释并不是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来理解我们所看到的。这就是它如此重要和令人兴奋的原因。”

研究人员认为，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。

罗曼·恩格尔-赫伯特说:“作为实验物理学家，我们的工作就是超越目前对自然的理解的界限。这是发现的沃土，也是我们推动科学发展之地。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。这可能为这类材料的真实行为提供新的见解，并能够对测量和观察到的现象进行全面的解释。

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，但我们的结果是一个机会，让学术界重新校准他们的理论;重新检查我们认为很好理解的材料，并重新评估它们的应用潜力。”

本研究得到了美国能源部{ U.S. Department of Energy (Grant DE-SC0012375)}、美国国家科学基金会（National Science Foundation DMREF-1629477 and DMREF−1629260)、美国国家科学基金会通过对宾夕法尼亚州立大学MRSEC项目{National Science Foundation through the Penn State MRSEC program DMR−1420620 and DMR−1352502}、万尼瓦尔·布什教师奖学金ONR（Vannevar Bush Faculty Fellowship ONR grant N00014−15−1-2847）的资助或支持。

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Abstract

Advancements in materials synthesis have been key to unveil the quantum nature of electronic properties in solids by providing experimental reference points for a correct theoretical description. Here, we report hidden transport phenomena emerging in the ultraclean limit of the archetypical correlated electron system SrVO₃. The low temperature, low magnetic field transport was found to be dominated by anisotropic scattering, whereas, at high temperature, we find a yet undiscovered phase that exhibits clear deviations from the expected Landau Fermi liquid, which is reminiscent of strange-metal physics in materials on the verge of a Mott transition. Further, the high sample purity enabled accessing the high magnetic field transport regime at low temperature, which revealed an anomalously high Hall coefficient. Taken with the strong anisotropic scattering, this presents a more complex picture of SrVO₃ that deviates from a simple Landau Fermi liquid. These hidden transport anomalies observed in the ultraclean limit prompt a theoretical reexamination of this canonical correlated electron system beyond the Landau Fermi liquid paradigm, and more generally serves as an experimental basis to refine theoretical methods to capture such nontrivial experimental consequences emerging in correlated electron systems.