1972年，诺贝尔物理学奖得主Mott爵士提出当准粒子的平均自由程接近费米波长时，准粒子会失去相干性，只能在安德森局域化的图像下进行跳跃输运。因此体系会发生从金属到绝缘体的相变，这就是著名的Mott-Ioffe-Regel（MIR）极限。然而，一些体系在超越MIR极限时表现出的非常规金属性挑战了这一传统观念。比如在铜基高温超导体中，人们就观测到了超越MIR极限下的线性温度电阻率。因为MIR极限与非常规超导、普朗克耗散和量子临界等各种重要的物理现象密切相关，超越MIR极限的金属性吸引了人们的广泛关注。多年来，非常规金属相（如奇异金属）的研究主要聚焦在电阻率的温度依赖关系等，而在MIR极限附近的电子相干行为却因其较短的平均自由程而很难实现。
近期，复旦大学张成研究员、修发贤教授、华东师范大学袁翔教授团队和中科院稳态强磁场中心、华中科技大学脉冲强磁场中心、美国国家强磁场实验室、法国国家强磁场实验室、南京大学、上海交通大学、北京大学、上海科技大学、印度科学理工学院等多个单位合作，发现CaAs3体系中在接近MIR极限时呈现出反常的强电子相干效应。研究团队基于国内外多个国家级强磁场实验设施，实现了极低温强磁场下的量子输运和红外磁光谱研究，揭示了CaAs3体系在接近MIR极限时出现的朗道量子化和量子振荡行为。此成果于2024年3月29日在线发表于National Science Review，标题为“Observation of quantum oscillations near the Mott-Ioffe-Regel limit in CaAs3”, 该研究成果的第一作者为复旦大学博士生王宇祥、赵旻昊和中科院稳态强磁中心的张警蕾研究员，通讯作者为复旦大学张成研究员、修发贤教授和华东师范大学袁翔教授。
图1: CaAs3中的Shubnikov-de Haas振荡。a：CaAs3的变温电阻率
研究团队生长了高质量的CaAs3单晶，并在最高45.22T的稳态强磁场下开展了量子输运实验。CaAs3的电阻率具有类似绝缘体的温度依赖，并且在2K左右接近MIR极限。尽管此时CaAs3已经呈现出高度的绝缘性，其强磁场下的磁电阻测量结果却出现了来自体态的Shubnikov-de Haas振荡，表明CaAs3中的载流子存在高度相干的能带输运而非传统理论预测的跳跃输运。与此同时，材料的霍尔系数和热电势也在低温下出现反常的变号行为。此外，研究团队还对材料开展了红外磁光谱的测试，利用带间朗道能级的跃迁进一步证实了体系的朗道量子化行为。通过对比输运以及磁光谱实验结果获得的载流子有效质量和费米速度等信息，研究发现费米面附近的电子存在很强的重整化效应。研究团队通过一个类二流体模型来分析以上实验结果，指出这些非常规行为来源于迁移率边和范霍夫奇点的协同作用，量子振荡等电子相干行为主要由迁移率边之上的自由电子贡献，而类似绝缘态的电阻和霍尔系数由迁移率边之下的局域电子主导。这一发现挑战了传统理论给出的电子在MIR极限附近的跳跃输运行为，并为MIR极限的金属态研究开辟了准粒子相干性这一全新视角。
图2: CaAs3的红外磁光谱和能带示意图。a：磁光反射率谱的二维微分图。b：量子振荡与红外磁光谱的有效质量的比较。c：能带色散示意图(左)和态密度示意图(右)。由迁移率边分隔的黄色和浅蓝色区域分别表示扩展态和局域态，橙色区域对应于费米能附近扩展态的自由电子。
该项目得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委重大研究计划培育项目和面上项目、上海市教委曙光学者的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwae127