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陽明交通大學特聘教授仲崇厚帶領的理論物理研究團隊與美國布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory, BNL）共同合作，成功解開了稀土族超導體中「奇異金屬量子臨界糾纏態」的形成機制。此發現將有助於解決困擾凝態物理界35年、有關「高溫超導體形成機制」的謎團，目前該研究成果已刊登於《自然通訊》（Nature Communications）期刊。
 
過往的研究中，科學家們已知道普通金屬在極低溫情況下、超導特性出現前，電阻率會隨著溫度的平方下降而降低。不過在量子力學的微觀原子尺度下，不同量子基態間的相互競爭將導致某些特殊物質或材料在低溫中呈現新的物質狀態，這種電子之間高度量子糾纏的新物質狀態稱為量子臨界態（quantum criticality）。
 
隨著眾多新穎的超導體材料，如銅基高溫超導體、稀土族重費米子超導體、有機超導體、二維雙層扭轉石墨稀超導體等與普通金屬不同的「奇異金屬量子態」在近30多年來紛紛出現，這些新穎超導體的奇異金屬量子態，可被視為在低溫狀態下因量子臨界擾動現象而產生的一種新型物質狀態，當中同樣涉及了大量電子和原子狀態的量子糾纏。而它們的特殊性質，如電阻率隨著溫度降低而呈線性下降、比熱係數則以對數方式上升等，也逐漸引起科學家們的興趣，並且希望能找出這些材料形成原因、特性及機制。
 
本次團隊研究的「普朗克金屬」，指的是當稀土族超導體與銅基高溫超導體在展現出奇異金屬（strange metal）的特殊量子臨界狀態時，量子態會在不穩定的「量子臨界點」附近出現，此時金屬的電子散射率與溫度呈現線性關係，且比例常數與普朗克常數呈現倒數關係。團隊在此研究中以結合理論與實驗的方式，證實在稀土族超導體中，普朗克金屬態的確是處於量子臨界點附近的量子臨界行為，也進一步提出建立於量子臨界電荷擾動基礎上的微觀理論機制。奇異金屬現象的產生、形成機制，以及與量子臨界現象之間的關係，都與電子在量子臨界點附近高度出現量子糾纏的狀態有關。
 
這項研究發想自2018年開始醞釀，並在2019年與布魯克海文國家實驗室合作，歷經多年的努力後終於找出解答。此研究成果有助於解開銅基高溫超導體中，源自量子臨界電荷擾動的普朗克奇異金屬態形成機制，以及困擾凝態物理界達35年的謎團——「高溫超導體形成機制」。若未來能更加了解奇異金屬，將有望應用於設計、預測並提升高溫超導體的超導臨界溫度，以及高溫超導體在無能量損耗的電力傳輸、量子電腦、量子計算等領域中。

 
新聞來源
國家科學及技術委員會（2023年8月16日）。臺灣團隊主導臺美科研合作獲登自然通訊期刊 首度以理論及實驗揭開「奇異金屬」謎團之神秘面紗 有助解開高溫超導體形成機制。國家科學及技術委員會，https://www.nstc.gov.tw/folksonomy/detail/cbeda07c-5f91-416b-8c65-9c593092a5d4?l=ch