二维强关联超导中的量子相变和量子临界现象的研究

Quantum phase transition, occurring at zero temperature driven by quantum fluctuations, is always observed in the strongly correlated superconductors and therefore vital to understanding the nature of high-temperature superconductivity. However, it is still an open question how the superconductivity is related with quantum phase transition and quantum criticality in the strongly correlated superconductors. The low-dimensional material is an ideal platform to study the relationship between the superconductivity and quantum phase transition for its simpler structure, stronger quantum fluctuation than the three dimensional material. Therefore, we will investigate the superconductivity and quantum phase transition, as well as the associated strange quantum phenomena, such as the unconventional superconductivity, non-Fermi liquid behavior in the two-dimensional strongly correlated superconductors. We will explore and fabricate the new type of two-dimensional superconductors by the mechanical exfoliation technique. By modulating the ground state of two-dimensional superconductors with applying the electric field, magnetic field, thickness and so on，we can obtain the phase diagram and the scaling law related with quantum criticality of the strongly correlated superconductor. Through this study, we expect to be able to not only understand the unconventional superconductivity, non-Fermi liquid behavior and the quantum criticality, but also explore the new quantum state to guide the develop of new materials.

量子相变是由量子涨落所驱动的一种零温相变，普遍存在于强关联超导体系中，对于理解高温超导的形成机制有重要的意义。然而，强关联电子体系中的量子相变、量子临界现象和超导电性之间具体的关系仍不清楚。低维材料结构简单，量子涨落效应远高于三维材料，其量子基态容易被外界条件如：电场、磁场、厚度、压力等调控，这使低维强关联超导材料成为一个研究非常规超导电性与量子相变的理想平台。因此本课题将基于二维强关联超导材料，对非常规超导电性、量子相变、量子临界现象、非费米液体以及因相变而引发的奇异的量子现象进行立题研究。我们将通过机械剥离等方法探索和制备新型的二维超导材料，将采用施加电场、磁场、改变厚度等方式调控二维材料的量子基态，研究强关联超导的相图，发现与量子临界现象关联的标度律。通过这个研究，我们期望能够理解非常规超导电性的物理机制，同时也希望在研究过程中能发现新的量子态，以指导寻找具有潜在应用价值的新型材料。

二维和强关联超导体系中的超导相变机理被认为和量子相变有关。本课题通过对二维超导和强关联超导体系的输运行为进行研究，来探索体系中的量子相变和量子临界行为。在二维超导体系方面，我们通过在单原子层厚度的石墨烯上沉积纳米尺度的无序超导岛，制备出人工可调的二维超导结构。当利用磁场调控该二维超导结构时，我们发现了体系中存在两个超导-绝缘体量子相变行为，它们控制了体系在很大温度范围内的热动力学行为。这种人工可调的二维超导中出现的相变行为，与铝酸镧(LAO)和钛酸锶(STO)界面间二维超导中观察到的相变行为相类似。这个研究结果有助于进一步理解二维超导的相变机制，同时能够拓展二维超导器件的应用。此外在强关联超导体系的研究方面，我们系统的研究了不同的强关联超导体系（包括铜基、铁基和重费米子超导）在正常态出现的线性电阻行为。我们发现这种些线性电阻行为普遍遵循一种标度行为，它和超导体在零温时的超流密度直接相关，并遵循量子扩散的输运机制。我们的发现显示出在不同体系的强关联超导中，电子流体从正常流体到超流的转变可能遵循某种统一的规律，这个发现有助于理解高温超导的机理。综上所示，本课题对不同体系的超导体进行了系统的研究，研究结果对理解高温超导的机理以及开发超导器件的应用有重要的意义。