物質(zhì)的物相和相變是物理學(xué)領(lǐng)域最重要的科學(xué)問(wèn)題之一，相關(guān)研究曾多次獲得諾貝爾獎(jiǎng)。四十多年前Robert B. Griffiths從理論上預(yù)測(cè)，無(wú)序效應(yīng)會(huì)定性地改變物相和相變臨界點(diǎn)的行為，特別是臨界點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)臨界指數(shù)將趨于無(wú)窮大，這種現(xiàn)象被稱(chēng)作Griffiths奇異性。隨著時(shí)間推移，這一預(yù)測(cè)現(xiàn)已拓展到量子相變形成了量子Griffiths奇異性理論。所謂量子相變，是指在絕對(duì)零度下系統(tǒng)處于量子基態(tài)時(shí)隨著參數(shù)變化而發(fā)生的相變。然而實(shí)驗(yàn)上要直接觀測(cè)到動(dòng)力學(xué)臨界指數(shù)的發(fā)散行為，即量子Griffiths奇異性，非常困難。超導(dǎo)體作為一種重要的量子物質(zhì)和物相，其量子相變與量子臨界點(diǎn)現(xiàn)象已得到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，但直到最近仍未在超導(dǎo)中發(fā)現(xiàn)量子Griffiths奇異性行為。

二維超導(dǎo)體，因其中量子漲落或熱力學(xué)漲落帶來(lái)的諸多新奇現(xiàn)象，以及在無(wú)耗散或低耗散的電子學(xué)方面的潛在應(yīng)用價(jià)值，已成為超導(dǎo)領(lǐng)域的重要研究方向。2015年美國(guó)凝聚態(tài)物理最高獎(jiǎng)Buckley獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給四位物理學(xué)家，以表彰他們?cè)诙S超導(dǎo)體系中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)-絕緣體相變現(xiàn)象，該相變被認(rèn)為是量子相變的范例。超導(dǎo)-絕緣體相變?cè)缭诙嗄昵熬捅粓?bào)道，隨后研究者發(fā)現(xiàn)了性質(zhì)類(lèi)似的超導(dǎo)-金屬相變，但如今仍有不少實(shí)驗(yàn)或理論相互間有所沖突和爭(zhēng)議。對(duì)于二維超導(dǎo)中磁場(chǎng)調(diào)制的超導(dǎo)-絕緣體（或金屬）相變，早期發(fā)現(xiàn)不同溫度下電阻隨磁場(chǎng)的響應(yīng)曲線會(huì)交于一點(diǎn)，該點(diǎn)被稱(chēng)為量子臨界點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的臨界指數(shù)可以從不同溫度下電阻-磁場(chǎng)曲線的標(biāo)度行為得到，這個(gè)臨界指數(shù)與樣品的細(xì)節(jié)無(wú)關(guān)是一個(gè)確定的數(shù)值。然而近期有實(shí)驗(yàn)報(bào)道在不同溫度區(qū)間觀測(cè)到兩個(gè)不同的量子臨界點(diǎn)及不同的臨界指數(shù)。

最近北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心王健研究組，與中心謝心澄教授、林熙研究員、王垡研究員，以及清華大學(xué)的薛其坤院士和馬旭村研究員等人合作，在三個(gè)原子層厚（小于1納米厚）的Ga（鎵）薄膜中發(fā)現(xiàn)了二維超導(dǎo)和超導(dǎo)-金屬相變行為。實(shí)驗(yàn)中的Ga超薄膜是通過(guò)分子束外延生長(zhǎng)在GaN（氮化鎵）襯底上，并采用100納米量級(jí)厚度的無(wú)定形硅作為覆蓋層進(jìn)行保護(hù)。研究人員通過(guò)最低到25mK的極低溫精密測(cè)量發(fā)現(xiàn)，Ga超導(dǎo)薄膜中超導(dǎo)-金屬相變對(duì)應(yīng)的臨界點(diǎn)既不是以前報(bào)道的一個(gè)臨界點(diǎn)也不是近期報(bào)道的兩個(gè)臨界點(diǎn)，而是隨著溫度變化形成了一條臨界線。相應(yīng)的臨界指數(shù)在臨界線上連續(xù)變化，在趨近零溫量子臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)散，而不是通常認(rèn)知的固定值。因此，傳統(tǒng)的超導(dǎo)量子相變理論無(wú)法解釋該實(shí)驗(yàn)結(jié)果。分析表明該相變正是理論上預(yù)測(cè)已久的量子Griffiths奇異性。這是首次在低維體系以及超導(dǎo)體系中發(fā)現(xiàn)和證實(shí)量子Griffiths奇異性，并且有可能是對(duì)超導(dǎo)-金屬相變的具有普適性的物理解釋。這項(xiàng)工作不僅是發(fā)現(xiàn)了一種新的量子相變，而且對(duì)超導(dǎo)（包括高溫超導(dǎo)）等量子材料體系中量子臨界行為的理解提供了新的思路。

相關(guān)文章于2015年10月15日提前在線發(fā)表在Science上(Science DOI: 10.1126/science.aaa7154)。北大謝心澄教授建議了在極低溫下觀測(cè)量子相變行為的實(shí)驗(yàn)，并與劉海文、王垡負(fù)責(zé)此項(xiàng)工作的理論部分。北大王健研究員、林熙研究員與清華馬旭村研究員為文章并列通訊作者。北大博士生邢穎、付海龍、助理研究員劉海文與中科院物理所博士生張慧敏為文章并列第一作者。

上述研究得到國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中組部“青年千人”計(jì)劃、高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金以及量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的資助。

三個(gè)原子層厚的鎵薄膜超導(dǎo)與臨界指數(shù)在靠近量子相變點(diǎn)（絕對(duì)零度）時(shí)的發(fā)散行為