奇异量子相变的探索一直是凝聚态物理领域的研究焦点之一。近日，北京量子信息科学研究院（以下简称量子院）原位量子输运团队与北京大学、南方科技大学、大连理工大学合作，在非常规铁基超导块材中发现了三维量子格里菲斯奇异性。2024年7月10日，相关研究成果以“Three-dimensional quantum Griffiths singularity in bulk iron-pnictide superconductors”（非常规铁基超导块材中的三维量子格里菲斯奇异性）为题发表在National Science Review期刊上。

量子相变由量子涨落造成，是指在绝对零度下系统处于量子基态时随着参数变化而发生的相变。相变的临界现象可划分为不同的普适类，而普适类由相变的空间维度和相变序参量的维度决定，与微观细节无关。超导-绝缘体/金属相变是量子相变的经典范例，至今已有四十多年的研究历史，一直广受关注；这种相变可以通过调节样品厚度、载流子浓度、压力、磁场等参数诱发。在相变过程中，体系满足标度不变性，因此相变的普适类由单个临界指数刻画。而量子格里菲斯奇异性作为一种新奇的量子相变，打破了这种传统的标度不变性。1969年，美国物理学家格里菲斯（Griffiths）提出了格里菲斯奇异性，即一类传统标度不变性被打破、进而临界指数呈发散趋势而不再保持为常数的相变行为；而量子格里菲斯奇异性则是指系统在零温下发生的量子相变中具有格里菲斯奇异性。量子格里菲斯奇异性自理论提出至今，实验上只在常规的低维超导薄膜和少数三维铁磁体中观察到了相变临界指数发散现象，而量子格里菲斯奇异态是否存在于三维超导体和非常规高温超导体则一直未有实验证实。

研究团队长期致力于量子输运器件物理研究，与合作者在低维高迁移率材料、低维拓扑材料、低维磁性材料领域已完成一系列重要的研究工作，如发现拓扑材料的贝利曲率和轨道磁矩带来的奇异磁电阻效应 (Science Bulletin 68, 1488(2023))，发现笼目结构金属CsV₃Sb₅三维隐藏序的磁输运特征(Nature Communications 15, 5038(2024))，实现二维反铁磁体中电控的磁振子阀并发现巨大的可调磁振子输运各向异性(Nature Communications 12, 6279(2021)；Nature Communications 14, 2526(2023))等。

近期，研究团队开展了对非常规高温超导块体单晶CaFe_1-xNi_xAsF中的量子格里菲斯奇异性的研究。他们与合作者首次制备了一系列欠掺杂区的高质量CaFe_1-xNi_xAsF块体单晶，并且在磁场驱动的超导-金属相变中观测到了从准二维到各向异性三维量子格里菲斯奇异性的演变。研究发现该量子格里菲斯奇异性可以同时被平行和垂直磁场诱导产生，且该量子格里菲斯奇异性具有鲁棒性，可以持续到5.3 K，为已知超导量子格里菲斯相变中的最高温度记录。该项研究不仅揭示了量子格里菲斯奇异性在三维和非常规高温超导体系中的普适性，而且预言了在更多非常规高温超导家族（如镍基、铜基超导）中寻找格里菲斯奇异态的可能性,这将进一步促进对非常规高温超导机理的理解。

图1 CaFe_1-xNi_xAsF磁场诱导的超导-金属相变，伴随着多个量子临界点的特征。

（a-d）上栏图：垂直磁场（0-14T诱导的超导金属相变）。（a-d）下栏图：平行磁场（0-14T诱导的超导金属相变）。图中蓝色和红色的曲线分别代表磁场为0T和14T。

图2 三维各向异性量子格里菲斯奇异性B–T相图。

a. 垂直磁场下量子格里菲斯奇异性的磁场-温度相图。相图中“SC”（蓝色区域）表示超导区，“TF”（分红色区域）表示热涨落区，“QF”（紫色区域）表示量子涨落区，“QGS”（棕黄色区域）表示量子格里菲斯奇异性区，白色区域表示弱局域化金属区。在低温强磁场下（量子格里菲斯奇异性区），发生超导-金属相变的临界磁场随着温度的下降，发生明显上翘。b. 平行磁场下量子格里菲斯奇异性的磁场-温度相图。在低温强磁场下（量子格里菲斯奇异性区），发生超导-金属相变的临界磁场随着温度的下降，明显趋向于饱和。表现出各向异性三维的特征。c. 总结了文献中报道的不同材料体系发生量子格里菲斯奇异性奇异性的特征温度，图中红色五角星代表本文数据。

该成果第一作者为北京大学物理学院量子材料科学中心博士后刘少博、北京量子院/北京大学联培博士研究生田丛宽、大连理工大学助理教授蔡永青，通讯作者为北京大学/量子院兼聘研究员陈剑豪，其他作者还包括量子院综合测试平台高级工程师宋源军、张玉、冯娅、李建坤、崔健、郝婷婷等。上述研究工作得到了国家重点研发计划“量子调控与量子信息”重点专项、国家自然科学基金重点项目等项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwae220