量子物理與量測
＃超導體與半導體相關之自旋與量子元件開發
＃利用零磁偶極矩的反鐵磁產生光磁鐵效應的次奈秒讀取技術
＃於稀土族金屬間化合物中之奇異金屬態之形成機制
半導體及尖端晶體系統中之功能性量子操控研究
ㄧ、願景與優勢
在這資訊爆炸，人人都可成為YouTuber的世代，人們對於低功耗，高效能之邏輯與記憶元件於人工智慧與高速運算方面應用的需求日益增加。而在我們目前身處的後摩爾定律時代，傳統透過微縮元件尺寸來提高單位面積計算單元數之方法，因物理定律的限制，而越顯無力。除了在材料方面著手(埃米尺度材料)，亦可以根本地改變目前現有之運算架構(如類神經網路運算與量子計算等)。本實驗室發揮物理人的精神，作為拓荒者，開發與尋找除了電子電荷之外具有可操控性之物理特性，如電子自旋，量子穿隧與超導關聯性等。
二、目標方向
- 開發可場效性(field-effect)控制之半導體與超導體電子自旋元件與相關量子傳輸研究。
- 運用全環繞柵極奈米薄片(gate-all-around nanosheets)陣列來模擬量子疊加態。
- 在埃米尺度材料中對電子路徑進行場效(field-effect)控制。
三、研究內容與關鍵技術
實驗室與本校電子工程所林聖迪教授與電子物理系趙天生教授組成研究團隊，我們專責低溫量子傳輸量測並配合林教授與趙教授於半導體奈米結構與金屬薄膜等關鍵材料與先進製程上之雄厚經驗，共同開發超導體與半導體相關之自旋與量子元件。
四、現有成果
團隊目前已成功地在特殊晶體材料中偵測到可被電控制之超導特性與相關自旋現象，半導體系統方面則已成功將矽奈米薄片之工作溫度推向絕對溫度4K以下，目前正對其進行功能性操控之研究。
研發光控電子的自旋量子態、光磁鐵記憶體、量子電磁鐵
一、願景與優勢
以電控方式的電子產品或記憶體，其開關與讀取全面受到電子傳輸與反應的速度牽制。而採用光脈衝的控制，是唯一不受到這些牽制的技術。本研究室採全光控方式研究記憶體的快速讀取模式，可達次皮秒自旋翻轉與次奈秒磁偶極翻轉等量子材料極限，用以研究創新光磁鐵模式讀取反鐵磁記憶體。
二、目標方向
未來朝向開發多脈衝光連續控制電子自旋的(1，-1)量子態，及記憶體的(0，1)，以期在次奈秒內執行多次的連續讀寫，進一步突破磁偶極翻轉的時間極限，並深入研究磁電耦合，以利用光磁鐵記憶體模式產生量子電磁鐵。
三、研究內容與關鍵技術
本研究室除研發飛秒光技術來控制電子自旋以外，最終目標為研究光與自旋的交互作用，開發無須外加磁場在室溫即可產生的光磁鐵效應與量子電磁鐵。
四、現有成果
本研究室已成功利用零磁偶極矩的反鐵磁產生光磁鐵效應的次奈秒讀取技術。
強關聯系統中之奇異金屬，超導態與量子臨界現象
一、願景與優勢
近二三十年來,在強關聯電子系統中有愈來愈多關於熱力學及電子傳輸的實驗現象違反Lev Landau 於1956年用以解釋一般金屬所建立之費米液體典範架構(Landau’s Fermi liquid theory)。這些“非費米液體”(non-Fermi liquid)現象已廣泛地在各種強關聯系統中被觀察到。它們通常存在於發生磁性量子相變(magnetic quantum phase transition)之處。這些非費米液體最令人費解之處在於其“奇異金屬”(strange metal)性質,包括:電阻率與溫度呈現近似線性之關係(quasi-T-linear resistivity)(一般金屬則為溫度平方之關係)及比熱係數與溫度呈現對數發散(T-logarithmic divergent specific heat coefficient)之關係(一般金屬之比熱係數維與溫度無關之常數)。磁化率隨溫度呈現冪次方之發散,及 Wiedemann-Franz Law之違反(導熱度與導電度在零溫時不相等)。這些奇異金屬性質廣泛地存在於銅基高溫超導體(high-Tc cuprate superconductors),鐵基超導體(Fe-based supeconductors),有機超導體,重費米子金屬與超導體(heavy-fermion metals and superconductors),及魔術轉角雙層石墨烯(magic angle twisted bi-layer graphene)之中。當系統靠近量子臨界點時,因量子擾動增加之故,系統之準粒子機率權重消失(vanish of quasi-particle weight)而電子之等效質量發散(divergence of electron effective mass)。因此,Landau 費米液體典範架構中同調性準粒子之圖像遭崩解破壞(breakdown of coherent quasi-particle picture within Landau’s Fermi liquid theory)而無法適用。奇異金屬之微觀形成機制及與量子臨界點之關聯即成為凝態物理界一重要之有待解決之“懸案”(圖一)。為解決此一難題,物理學家急需建立一新的典範理論架構。
建立新的奇異金屬的典範理論架構,將對了解”非常規超導體”(unconventional superconductors)(包含: 銅基高溫超導體,鐵基超導體,重費米子超導體)之超導形成機制有關鍵性之幫助. 其中,高溫超導體在現在及未來人類的科技生活中將扮演越來越重要的角色, 包含:超導磁浮火車,無能量耗損之電力傳輸等.然而,目前超導溫度仍然偏低(約攝氏零下150度),與方便科技應用之常溫仍有不小之差距.了解奇異金屬及其與量子臨界現象之關聯有助於調控以至於進一步提升高溫超導體之超導臨界溫度,以期實現”常溫超導體”之願景.其中關鍵因素為: 高溫超導體所能到達之最高超導溫度與奇異金屬及其對應之量子臨界點有密切關聯,因此了解奇異金屬及其對應之量子臨界現象將有助於了解如何提昇超導溫度。
仲教授之研究團隊在此一課題上已研究多年,並已建立具國際競爭力之理論團隊與理論架構:建立以量子臨界電荷擾動為基礎之微觀模型(大 N 動力學(dynamical large-N theory)及等效場論(effective field theory)).此一自行研發出之獨特理論架構已領先國際頂尖理論團隊,其他研究團隊很難仿效複製,因此其優勢地位穩固. 目前仲教授研究團隊以此理論架構已獲得之許多重要研究成果(見現有成果),仲教授在此基礎上已擴大與國際頂尖團隊之討論及合作,這些頂尖研究機構包括: 美國Brookhaven National Lab., 英國U. of Cambridge, 德國Max-Planck Institute, Dresden, 美國Los Alamos National Lab., 加拿大 Sherbrooke U., 美國Rutgers U.荷蘭 Leiden U., 奧地利T.U. Vienna, 美國U. of Maryland,美國 Stanford U., 美國 UC Berkeley, 以色列 Weizmann Institute, 英國Oxford U., 美國UIUC.。
仲教授結合科技部”國家理論科學中心”(NCTS)及本校理學院之”理論與計算物理中心”(CTCP)之支持, 將於2022. 5.30~ 2022.5.31 舉辦首次由台灣主辦之”NCTS國際奇異金屬(線上)研討會”(The NCTS international (online) workshop on strange metal),邀請上述國際頂尖研究機構之學者專家共同發表最新研究成果. 仲教授也將於此發表其最新研究突破性成果. 此一國際研討會之舉辦說明了仲教授在奇異金屬及量子臨界現象之研究已達國際頂尖水準並具有國際影響力。
二、目標方向
此研究計畫將更深入地從全新的角度試圖在解開奇異金屬形成機制此一難題之研究上獲突破性的進展。
三、研究內容與關鍵技術
以下為本研究計劃未來 5 年之具體研究課題:1. 重費米子量子臨界系統中之奇異金屬量子相(基態)之理論,2. 重費米子系統中鐵磁-近藤量子臨界點附近之奇異金屬形成機制, 3. 銅基高溫超導體之奇異金屬形成機制.此計畫所採取之主要理論方法包括:微擾重整化群(perturbative renormalization group),大 N 動力學(dynamical large-N theory)及等效場論(effective field theory)等。仲教授運用以上方法已成功建構出獨特之關鍵技術.研究重點將放在建立解釋奇異金屬態之理論架構並將理論結果與相關材料之實驗現象互相比較以期能完整而一致的解釋相關之實驗現象,進而解開此一謎團。同時,也將理論預測提供給實驗學家參考,以期在未來之實驗中能獲得實現。
四、現有成果
本研究團隊近年來之代表性成果為〈於稀土族金屬間化合物中之奇異金屬態之形成機制’〉(2022.3.1 發表於美國國家科學院院刊；A mechanism for the strange metal phase in rare-earth inter-metallic compounds, PNAS Mar. 1,2022)。以下為刊登於科技部之「科學推展中心(SPEC, MOST)」關於本研究亮點之報導 https://spec.ntu.edu.tw/20220324-research-phys/。
本研究同時獲本校首頁及平面媒體之報導：
https://www.nycu.edu.tw/news/3285/
https://udn.com/news/story/6928/6139569
https://technews.tw/2022/03/04/proceedings-of-the-national-academy-of-sciences/
奇異金屬(strange metal)不奇異，解開凝態物理學界重要謎題之機制
在凝態物理界中一直有一個關於「奇異金屬 (strange metal)」的謎團，許多量子材料在極低溫下並不遵從費米液體理論 (Fermi liquid theory)，近日國立陽明交通大學電子物理系仲崇厚教授團隊解開稀土族磁性金屬化合物(magnetic rare-earth intermetallic compound)之奇異金屬形成機制，獲登國際頂尖期刊《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences, PNAS)[1]！
費米液體理論與奇異金屬
蘇聯理論物理學家藍道(Lev Davidovich Landau)於1950年代所建立的「費米液體理論 (Fermi liquid theory)」，描述了普通金屬的基礎特性：在極低溫情況下(超導性尚未出現)，其電阻率會隨著溫度的平方下降呈線性降低。而奇異金屬 (strange metal)則是一群不符合此原則的「非費米液體 (non-Fermi liquid)」。近三十年來，在高溫超導體、鐵基超導體、稀土族金屬與超導體當中皆有發現過奇異金屬現象，其電子之電荷與自旋 (spin)受量子力學擾動影響，使得這類材料隨溫度降低其電阻率呈現與溫度接近線性(quasi-linear-in-temperature)的方式下降，而比熱係數則以溫度的對數(logarithmic-in-temperature)方式上升 (在普通金屬中，比熱係數為一與溫度無關之常數)。
知其然而不知其所以然，找到理論研究的突破點
在凝態物理學界，「奇異金屬」即是個知其然而不知其所以然的有趣現象，而這正好成為仲崇厚教授研究團隊在基礎研究中一步步抽絲剝繭、建立機制模型的研究切入點。自2017年起，以dynamical large-N方法，結合二維晶格 (2D lattice)的Kondo–Heisenberg模型作為出發點，研究團隊以新穎的微觀理論計算模型試圖解釋此一難題。
稀土族金屬中的奇異金屬行為
量子臨界點 (quantum critical point)是量子不同相態之間的交叉點，在其附近可觀察到許多稀土族材料發生奇異金屬行為。而這背後的機制是因為稀土族材料中活躍的導電電子 (conduction electrons)以及不活躍的f-軌域侷限性電子 (local f-orbital electrons)，研究團隊發現奇異金屬現象產生的原因，乃系統處於這兩種電子之間所產生的的兩種磁交互作用、相互競爭下不穩定的量子臨界點附近。
其中一種磁性交互作用為導電電子與f-軌域侷限性電子之間的反鐵磁作用力 (或稱「近藤效應 (Kondo effect)」)，另一種則為f-軌域侷限性電子與電子之間的反鐵磁 (anti-ferromagnetic，或稱RKKY)交互作用(如圖一)。而此局域不導電電子之RKKY交互作用，因並非方形晶格幾何排列而產生磁性阻挫(magnetic frustration)，故可形成具有「短程磁有序 (magnetic short-ranged order)」的「自旋液體態 (spin-liquid)」。
奇異金屬態現象被理解為：近藤效應與自旋液體效應互相拉扯而出現之新穎量子臨界現象。其中最關鍵的因素是近藤效應之量子臨界擾動(quantum critical Kondo fluctuation)，具電荷與自旋互相分離的特性(如圖二)，以三種不同性質之粒子描述：電荷空穴子(charge holon)、自旋子(spinon)以及導電電子(conduction electron)。
上述三種粒子因近藤量子擾動而有交互作用，進而形成奇異金屬態。另外有趣的是研究團隊發現原本不穩定的量子態，在特殊對稱性下可成為穩定存在的「量子臨界相(態) (quantum critical phase)」 (圖三)。
- 稀土族「鈰鈀鋁 (CePdAl)」金屬化合物的奇異金屬態
研究團隊也因此解釋了2019年一篇刊登在《自然物理》(Nature Physics)關於鈰鈀鋁 (CePdAl)的奇異金屬性質[2]。也同時解釋了CePdAl中出現的兩種奇異金屬性質和穩定存在的量子臨界相。此一研究成功地解開這類材料中出現「奇異金屬相」的謎團，也對解開近30年來其他奇異金屬態形成之謎，向前邁進一大步。
- 量子糾纏謎題的新篇章
奇異金屬現象為電子之間高度量子糾纏的結果，透過量子臨界擾動進而產生的新穎物質狀態，積極投入基礎科學的研究有助於對量子力學世界的理解，透過理論的推演與實驗的觀測，一窺量子世界之精妙。此研究也是我國首度由獨立基礎理論物理團隊即刊登於PNAS之研究，極具指標，也更展現出我國的研究能量與實力。
參考文獻
[1] Jiangfan Wang, Yung-Yeh Chang, Chung-Hou Chung. TA mechanism for the strange metal phase in rare-earth intermetallic compounds. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), Volume 119(10) e2116980119 March 1, 2022. DOI: 10.1073/pnas.2116980119.
[2] H. Zhao et al., Quantum-critical phase from frustrated magnetism in a strongly correlated metal. Nat. Phys. 15, 1261–1266 (2019). DOI: 10.1038/s41567-019-0666-6.
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