日前，吉林大学物理学院物质模拟方法与软件教育部重点实验室王洪波教授在“高压下单质超导电性”研究中获得新进展。相关研究成果以“Evidence for an emergent anomalous metallic state in compressed titanium”为题，于2023年04月25日在线发表于《美国科学院院刊》。
根据费米液体理论，在低温下纯金属的电阻主要来源于电子间的散射作用，其电阻率正比于温度的平方。然而，在一些二维材料的超导态至绝缘态的量子转变过程中，观测到随着温度降低，电阻先迅速下降然后逐渐趋于一个饱和值，类似金属特性，这种特殊的金属态，无法用传统费米液体理论解释，被称为反常金属态，这种反常的输运行为的物理机制目前尚不明晰。由于反常金属态的概念源自于二维无序系统，因此相关研究主要集中在二维材料上。迄今为止，三维系统中的反常金属态行为鲜见报道。
在本工作中，我们在高度压缩的三维金属钛中观测到反常金属态。在135 GPa的压强下，单质钛的超导转变温度高达25.1 K；在足够强的外磁场下，金属钛的电阻在超导转变温度附近出现骤降，但是在低温下饱和在一个定值，并且展现了巨磁电阻效应，这些反常的输运行为揭示了超导态至反常金属态的转变；另外，我们构建了单质钛在典型压力下的温度-磁场相图，展示了正常态、超导态和反常金属态之间的转变，这与传统的三维超导体不同。在传统的二维体系中，电子关联、无序、量子限域效应等因素引起的复杂行为可能与反常金属态共存并相互影响，阻碍了对其机制的理解。三维单质钛提供了一个简单的材料平台，对于拓展反常金属态的研究领域和推进对其物理机制的理解具有重要意义。
图：典型压强下单质钛中的反常金属态表征以及温度-磁场相图
吉林大学物理学院2021级博士研究生王奎、吉林大学鼎新学者刘畅博士和刘广韬副教授为本文的共同第一作者。通讯作者为我院的王洪波教授和马琰铭教授，以及美国内达华大学拉斯维加斯分校Changfeng Chen教授。该工作得到了国家自然科学基金、中国科学院先导专项等项目的资助。本文中的磁学测量得到了中国综合极端条件实验装置和中国稳态强磁场实验装置的支持。
论文全文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2218856120
