量子格里菲斯奇异性（QGS）是一种新颖的量子相变，具体是指相变过程中传统的标度不变性被打破，临界指数发散而不再保持为常数的行为。迄今为止人们只在常规、低维超导薄膜和少数三维铁磁体中观察到了QGS的特征，而QGS是否存在于三维和非常规高温超导体中尚未被证实。该研究首次在非常规高温超导块体单晶CaFe1-xNixAsF中观察到了三维QGS的特征。揭示了QGS在三维和非常规高温超导体系中的普适性，预言了在更多非常规高温超导家族（镍基、铜基）中寻找QGS的可能。
奇异量子相变的探索一直是凝聚态物理领域的研究焦点和目标。量子相变是由量子涨落造成，是指在绝对零度下系统处于量子基态时随着参数变化而发生的相变。相变的临界现象完全由普适类决定，而普适类由空间维度和序参量维度决定，与微观细节无关。其中，超导-绝缘体/金属相变是量子相变的经典范例，至今已有四十多年的研究历史，无序被认为是对其最重要的影响因素之一，因此受到广泛关注。通过调节厚度、载流子浓度、压力或磁场等参数，体系会从超导体转变为绝缘体/金属。在相变过程中，体系满足标度不变性，因此相变的普适类会给出单个临界指数。而量子格里菲斯奇异性作为一种新奇的量子相变，打破了这种传统的标度不变性。具体来讲，1969年美国物理学家格里菲斯（Griffiths）提出了格里菲斯奇异性，具体指的是在相变中传统标度不变性被打破，进而临界指数呈发散趋势而不再保持为常数的行为。而量子格里菲斯奇异性则是指系统在零温下发生的量子相变中具有格里菲斯奇异性。量子格里菲斯奇异性自理论提出至今，实验上只在常规的低维超导薄膜和少数三维铁磁体中观察到了相变中的临界指数发散现象，而量子格里菲斯奇异态是否存在于三维超导体和非常规高温超导家族中一直未有实验证实。这可能对理解非常规高温超导机理有帮助。
近期，北京大学物理学院量子材料科学中心、北京量子信息科学研究院、北京大学纳米器件物理与化学教育部重点实验室陈剑豪研究员课题组开展了对非常规高温超导块体单晶CaFe1-xNixAsF中的量子格里菲斯奇异性的研究。他们跟合作者首次生长了系列欠掺杂区的高质量的CaFe1-xNixAsF大块单晶，并且在磁场驱动的超导-金属相变中观测到了准二维和三维各向异性的量子格里菲斯奇异性的演变。他们发现该量子格里菲斯奇异性可以同时被平行和垂直磁场诱导，并且该量子格里菲斯奇异性具有鲁棒性，最高温可以持续到5.3 K。该项研究不仅揭示了量子格里菲斯奇异性在三维和非常规高温超导体系中的普适性，而且预言了在更多非常规高温超导家族（如镍基、铜基超导）中寻找格里菲斯奇异态的可能性，这将进一步促进对非常规高温超导机理的理解。
图2：三维各向异性量子格里菲斯奇异性B–T相图。
该研究成果以“Three-dimensional quantum Griffiths singularity in bulk iron-pnictide superconductors”为题发表于《国家科学评论》，陈剑豪研究员为通讯作者，北京大学物理学院量子材料科学中心博士后刘少博、北京大学物理学院量子材料科学中心博士研究生田丛宽、大连理工大学助理教授蔡永青为文章的共同第一作者。
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