日前，吉林大學(xué)物理學(xué)院超硬材料國家重點實驗室王洪波教授在“高壓下單質(zhì)超導(dǎo)電性”研究中獲得新進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Evidence for an emergent anomalous metallic state in compressed titanium”為題，于2023年04月25日在線發(fā)表于《美國科學(xué)院院刊》。

根據(jù)費米液體理論，在低溫下純金屬的電阻主要來源于電子間的散射作用，其電阻率正比于溫度的平方。然而，在一些二維材料的超導(dǎo)態(tài)至絕緣態(tài)的量子轉(zhuǎn)變過程中，觀測到隨著溫度降低，電阻先迅速下降然后逐漸趨于一個飽和值，類似金屬特性，這種特殊的金屬態(tài)，無法用傳統(tǒng)費米液體理論解釋，被稱為反常金屬態(tài)，這種反常的輸運行為的物理機(jī)制目前尚不明晰。由于反常金屬態(tài)的概念源自于二維無序系統(tǒng)，因此相關(guān)研究主要集中在二維材料上。迄今為止，三維系統(tǒng)中的反常金屬態(tài)行為鮮見報道。

在本工作中，我們在高度壓縮的三維金屬鈦中觀測到反常金屬態(tài)。在135 GPa的壓強下，單質(zhì)鈦的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)25.1 K；在足夠強的外磁場下，金屬鈦的電阻在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度附近出現(xiàn)驟降，但是在低溫下飽和在一個定值，并且展現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)，這些反常的輸運行為揭示了超導(dǎo)態(tài)至反常金屬態(tài)的轉(zhuǎn)變；另外，我們構(gòu)建了單質(zhì)鈦在典型壓力下的溫度-磁場相圖，展示了正常態(tài)、超導(dǎo)態(tài)和反常金屬態(tài)之間的轉(zhuǎn)變，這與傳統(tǒng)的三維超導(dǎo)體不同。在傳統(tǒng)的二維體系中，電子關(guān)聯(lián)、無序、量子限域效應(yīng)等因素引起的復(fù)雜行為可能與反常金屬態(tài)共存并相互影響，阻礙了對其機(jī)制的理解。三維單質(zhì)鈦提供了一個簡單的材料平臺，對于拓展反常金屬態(tài)的研究領(lǐng)域和推進(jìn)對其物理機(jī)制的理解具有重要意義。

吉林大學(xué)物理學(xué)院2021級博士研究生王奎、吉林大學(xué)鼎新學(xué)者劉暢博士和劉廣韜副教授為本文的共同第一作者。通訊作者為我院的王洪波教授和馬琰銘教授，以及美國內(nèi)達(dá)華大學(xué)拉斯維加斯分校Changfeng Chen教授。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導(dǎo)專項等項目的資助。本文中的磁學(xué)測量得到了中國綜合極端條件實驗裝置和中國穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置的支持。