清大發現銅酸鹽高溫超導體的量子臨界點 揭開40年未解難題

銅酸鹽高溫超導體被發現近40年，然而驅動它高溫超導的關鍵機制，至今仍是物理學界懸而未解的難題。清華大學理學院院長牟中瑜與跨國研究團隊首次證實銅酸鹽高溫超導體複雜的「狀態地圖」中，存在一個長期被超導態遮蔽的「量子臨界點」（Quantum Critical Point，QCP），並進一步釐清跨過這個臨界點前後，材料的量子狀態發生什麼改變。

牟中瑜說，這項成果讓高溫超導體複雜的「狀態地圖」更加清楚，可作為未來檢驗相關理論的重要依據。研究成果已刊登於國際頂尖期刊「自然通訊」（Nature Communications）。

牟中瑜解釋，「超導」是一種量子現象，材料進入超導狀態後，會具有電阻降為零與排斥磁場等特殊性質；而「高溫超導」並非指日常生活中的高溫，而是相較於傳統超導體，可在較高溫度就先進入超導態。1987年中央研究院院士朱經武與吳茂昆發現銅酸鹽高溫超導體後，掀起了全球研究熱潮，但科學家仍未完全解開銅酸鹽形成高溫超導的機制。

破解高溫超導機制的困難點，在於銅酸鹽隨著溫度及電子摻雜濃度改變，會出現超導、電荷密度波等多種彼此競爭、交織的物理狀態。科學家將這些狀態畫成「相圖」（phase diagram），牟中瑜則將它比喻為高溫超導體的狀態地圖，而這次發現的量子臨界點，就像在這張地圖中找到過去一直被超導態遮住的重要地標。

「所謂量子臨界點，是材料在接近絕對零度時，因摻雜、壓力等條件改變，而從一種量子狀態轉變至另一種量子狀態的臨界位置。」牟中瑜指出，過去科學家已推測量子臨界點可能存在於銅酸鹽高溫超導相圖中，但這個位置落在「超導圓頂」之下，材料還沒呈現出明顯的臨界特徵，就已先進入超導狀態，使相關訊號變得複雜難辨，因此始終缺乏確認它存在的關鍵證據。

牟中瑜說明，量子臨界點原本應呈現特定的臨界行為，但由於它落在超導區域內，材料在接近臨界點前已先進入超導狀態。超導與其他量子秩序彼此交織，使原本應有的臨界特徵變得複雜且難以辨認，因此科學家長期難以確認它究竟是否存在、以及確切位在何處。

牟中瑜指出，為找出這個隱藏的臨界點，研究團隊利用國家同步輻射研究中心台灣光子源的高解析度共振非彈性X光散射（RIXS），觀察銅酸鹽高溫超導體──鑭鍶銅氧化物（LSCO）。研究人員改變材料的溫度及電子摻雜濃度，藉由X光觀察內部電子的電荷分布如何變化，並追蹤「電荷密度波」（Charge-Density Wave，CDW）的變化。

牟中瑜說明，電荷密度波可理解為電子的電荷分布不再均勻，而是在空間上呈現週期性「一下疏、一下密」的波動，也是高溫超導複雜相圖中的重要量子秩序。

團隊分析後發現，不同溫度及摻雜濃度下取得的實驗數據，看似各不相同，背後卻遵循相同的量子臨界規律，這種現象稱為「量子臨界尺度律」（quantum critical scaling），是材料接近量子臨界點時的重要特徵，也成為團隊確認量子臨界點存在的關鍵證據。

研究結果也發現，這個量子臨界點並非只與電荷密度波有關，而是牽涉多種量子秩序的共同變化。團隊分析指出，在量子臨界點的一側，電荷密度波、超導，以及另一種稱為「配對密度波」的電子配對狀態彼此交織；跨越臨界點後，則轉變為較單純的超導狀態。牟中瑜表示，這項發現就像進一步標示出量子臨界點兩側不同的「地形」，讓高溫超導體的狀態地圖更加清楚，未來相關理論若要解釋銅酸鹽高溫超導體，也須符合這次實驗觀察到的關鍵特徵。

牟中瑜指出，這項研究由跨國團隊共同協力完成。同步輻射研究中心特聘研究員、清華物理系合聘教授黃迪靖負責統籌研究計畫與分析數據，同步輻射研究中心助理研究員黃筱妤進行主要的實驗及數據讀取；牟中瑜則負責數據的理論分析以及建立理論模型，並提出確認為量子臨界點的分析方法；日本東京大學榮譽退休教授、目前以玉山學者身分來台研究的清華物理系榮譽講座教授藤森淳（Atsushi Fujimori）負責聯繫取得做實驗所需的樣品，中研院院士、清華特聘研究講座教授李定國則共同參與研究討論。