近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心和物理系中国科学院强耦合量子材料物理重点实验室曾长淦教授研究组与北京师范大学刘海文教授合作，在量子相变研究领域取得了重要进展。研究团队首次在同一体系中同时观测到正常与反常量子格里菲斯相，并通过控制量子涨落实现了对这些相的有效调节。相关成果以题为“Effectively tuning the quantum Griffiths phase by controllable quantum fluctuations”的论文，于11月27日发表在Science Advances期刊上（DOI: 10.1126/sciadv.adp1402）。
量子相变由量子涨落驱动，在揭示复杂量子态及推动量子器件研发方面具有重要意义。无序二维超导体因其增强的量子涨落特性，成为研究量子相变的重要平台。量子涨落与耗散的相互作用极大丰富了量子相变物理，并在二维超导系统中催生了诸如量子金属态和量子格里菲斯相等新颖的量子现象。量子格里菲斯相的形成归因于无序诱导的稀有超导区域嵌入正常态背景中。当温度趋近零时，这些超导区域逐渐增大，其缓慢的动力学行为导致量子格里菲斯相的出现，其特征是发散的有效临界指数（zν），这一现象被称为量子格里菲斯奇异性。近年来，量子格里菲斯相的研究备受关注，成为超导研究的重要前沿课题。然而，尽管在多种二维超导材料中已观察到量子格里菲斯相，如何实现有效调控仍是一个挑战。
图：（a）量子格里菲斯相（QGP）示意图。（b）反常QGP磁场与温度的相图示意图。（c）正常QGP磁场与温度的相图示意图。（d）垂直场下反常量子格里菲斯奇异性（有效临界指数zν从高场一侧接近无限随机量子临界点Bc*时发散），插图为LaAlO₃/KTaO₃(110)器件示意图。（e）平行场下正常量子格里菲斯奇异性（zν从低场一侧接近无限随机量子临界点Bc*时发散）。（f）栅压对反常QGP中反常相边界的温度和磁场范围的调节。
此次研究中，研究团队基于LaAlO₃/KTaO₃(110)超导氧化物界面，通过改变磁场方向和栅压，成功实现了对量子格里菲斯相的有效调控。具体而言，在垂直磁场下，当从高磁场一侧接近无限随机量子临界点时，有效临界指数zν发散，证实了反常量子格里菲斯相的存在，其特征是临界磁场随着温度降低而减小；而在平行磁场下，zν从低磁场一侧接近无限随机量子临界点时发散，表明体系中出现正常量子格里菲斯相，其临界磁场随温度降低而增大。此外，通过改变栅压，研究团队进一步实现了对反常量子格里菲斯相中反常相边界的有效调节。理论分析表明，这种调控可归因于量子临界点附近不同的电导率修正，而这些修正由磁场方向和栅压调节下具有强自旋轨道耦合的量子涨落引起。该工作不仅深化了对量子涨落如何影响量子格里菲斯相的理解，还为通过可控量子涨落探索奇异量子相变提供了新思路。
中国科学技术大学物理学院博士生王碑林为论文第一作者，中国科学技术大学曾长淦教授和北京师范大学刘海文教授为论文共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院及安徽省的资助。
