教授 岩佐义宏教授点评：玻色子总是凝聚吗？
2019年12月，北京大学王健教授与电子科技大学熊杰教授、李言荣院士等在Science发表文章，他们在YBCO纳米孔洞阵列薄膜中观测到温度趋于绝对零度时表现出的反常量子玻色金属态，在其中玻色子不发生凝聚。近日，日本东京大学岩佐义宏（Yoshihiro Iwasa）教授在National Science Review发表Research Highlight文章，介绍了这项研究成果，以及相关科学问题的重要性。以下为这篇Research Highlight文章的中文版本。
□作者：Yoshihiro Iwasa
□译者：刘易，王健
在基本统计力学中，即使在没有粒子间相互作用时，玻色系统也可发生相变，我们称之为玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)。事实上，包括4He、冷原子和光子体系在内的几乎所有玻色体系都会发生玻色-爱因斯坦凝聚，甚至电子（典型的费米子体系）也会在超导中通过形成库珀对表现出类似的凝聚性质。所以我们印象中总认为所有的玻色系统都会有玻色-爱因斯坦凝聚，尤其是热平衡态。然而，这一印象似乎没有直接的证据。那么一个自然的问题就是：玻色体系总是会有玻色-爱因斯坦凝聚吗？或者说，有没有不会凝聚的玻色体系？
上世纪末，这个问题首先在超导系统中被提了出来。Goldman等人在二维超导体（金属薄膜）中发现了没有中间金属态的超导-绝缘体转变[1]。图1(a)展示了该系统的相图示意图。这个相图在量子临界行为方面被一个所谓的dirty-boson模型所解释。在该模型中，正常态电阻控制了超导-绝缘体量子相变，因为该薄膜是高度无序的，而正常态电阻是无序程度的一种体现。图1(a)表明，二维玻色子要么凝聚到超导状态，要么被局域化。这个结论是舒适的，因为它与不存在非凝聚玻色流体的印象一致。
文章插图
图1超导体相图示意图。(a)无序二维超导体[1]和(b)YBCO约瑟夫森结阵列体系[2]。横轴坐标是正常态电阻，作为一个调控参量。传统相图(a)在临界电阻Rc处表现出量子临界行为，然而YBCO约瑟夫森结阵列(b)在温度为0 K时表现为一个较宽的金属态区域。
2019年，王健与合作者从一个新视角回答了这一问题[2]。他们用反应离子刻蚀的方法制备了具有周期性孔洞阵列的高温超导铜酸盐YBa2Cu3O7-x薄膜，从而实现了超导岛的并联。这种样品可被看作是一个约瑟夫森结阵列模型系统。随着刻蚀时间的增加，（岛间）连接处的电阻逐渐增大而超导岛逐渐缩小，从而推动了系统发生超导-反常金属-绝缘体的转变。
他们的核心成果是在超导、金属和绝缘的不同薄膜中都观测到了磁电导振荡现象，振荡周期是Ф=h/2e。这就有力地证明了库珀对在包括绝缘态在内的这三种态中起到了主导作用。换言之，实验观测到的超导-金属-绝缘体相变都是在玻色体系中发生的。图1(b)展示了他们在温度和正常态电阻平面建立的相图。图中超导态和绝缘态被一个宽的中间金属态（区域）所隔开，这就与除了单个量子临界点外并不存在金属态的传统理解形成了鲜明的对比。
最近，随着机械剥离技术、电场效应和分子束外延技术的不断发展，另一种途径是使用新兴的单晶性有显著提升的二维超导体[3]。这种二维超导体在施加面外磁场时会展现出一种“量子”金属态的特性，并且这一金属态在趋近于零温时似乎依然存在，没有出现任何凝聚（现象）[4]。在约瑟夫森结阵列和二维超导体中相似的现象表明了非凝聚玻色系统的存在，该系统在温度趋近于0 K时仍处于正常流体（态）。这些实验观测将会对深入理解玻色-爱因斯坦凝聚的理论产生挑战。
Yoshihiro Iwasa感谢T. Nojima, S. Saito和 M. Ueda启发性的评论。
参考文献：
[1] D. B. Haviland, Y. Liu, and A. M. Goldman, Phys. Rev. Lett. 62, 2180 (1989).
[2] C. Yang, Y Liu, Y. Wang, L. Feng, Q. He, J. Sun, Y. Tang, C. Wu, J. Xiong, W. Zhang, X. Lin, H. Yao, H. Liu, G. Fernandes, J. Xu, J. M. Valles Jr., J. Wang, and Y. Li, Science 366, 1505 (2019).
[3] Y. Saito, T. Nojima, and Y. Iwasa, Nat. Rev. Mater. 2, 16094 (2017).
【 教授|岩佐义宏教授点评：玻色子总是凝聚吗？】[4] A. Kapitulnik, S. A. Kivelson, and B. Spivak, Rev. Mod. Phys. 91, 011002(2019).
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