清華物理系薛其坤研究團(tuán)隊(duì)在界面誘導(dǎo)的高溫超導(dǎo)研究方面取得進(jìn)展
清華新聞網(wǎng)1月21日電 近日，由清華大學(xué)物理系研究員馬旭村、副研究員王立莉、教授陳曦、助理教授季帥華、教授王亞愚和薛其坤院士組成的研究團(tuán)隊(duì)以《單層FeSe薄膜中高溫超導(dǎo)特性的直接實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證》(Direct observation of high-temperature superconductivity in one-unit-cell FeSe films)為題在《中國(guó)物理快報(bào)》雜志上(Chin. Phys. Lett.31, 017401 (2014))上發(fā)文，文章發(fā)表后，美國(guó)《科學(xué)》（Science）雜志在 “編輯選擇”(Editors’ Choice)中以“一個(gè)非常薄的超導(dǎo)材料”(A very thin superconductor)為題對(duì)該工作進(jìn)行了報(bào)道(Science 343, 230 (2014))，這標(biāo)志著該研究團(tuán)隊(duì)在界面誘導(dǎo)/增強(qiáng)的高溫超導(dǎo)研究上取得突破。
該研究團(tuán)隊(duì)在成功制備大面積原子級(jí)平整的單原子層FeSe薄膜和與FeSe薄膜界面尖銳的FeTe保護(hù)層的基礎(chǔ)上，與北京大學(xué)王健、華中科技大學(xué)李亮、日本東北大學(xué)陳明偉等合作，利用電輸運(yùn)和磁性測(cè)量直接證明了外延于鈦酸鍶襯底上的單層FeSe薄膜的高溫超導(dǎo)特性，并且其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度被提高至體相FeSe超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的5倍。如圖(a)所示，超導(dǎo)的起始轉(zhuǎn)變溫度為50 K以上，在23 K達(dá)到零電阻，這與圖(b)中的抗磁性測(cè)量得到的轉(zhuǎn)變溫度一致。由于鈦酸鍶襯底和FeTe保護(hù)層均不超導(dǎo)，因此該體系是目前已發(fā)現(xiàn)的、最薄的高溫超導(dǎo)材料，而且其臨界電流比體相FeSe高近兩個(gè)量級(jí)。
圖為鈦酸鍶襯底上單層FeSe薄膜的電輸運(yùn)（a）和磁性（b）測(cè)量結(jié)果。
自從1986年發(fā)現(xiàn)銅氧化物高溫超導(dǎo)至今已經(jīng)近三十年，但其機(jī)理作為物理學(xué)一個(gè)重要科學(xué)難題仍然沒(méi)有得到解決。高溫超導(dǎo)材料均具有層狀結(jié)構(gòu)，形成庫(kù)珀對(duì)的載流子來(lái)源于氧化物電荷庫(kù)層的摻雜，與導(dǎo)致量子霍爾效應(yīng)的兩維電子氣中載流子的來(lái)源非常類(lèi)似。根據(jù)這些特點(diǎn)，薛其坤認(rèn)為：高溫超導(dǎo)機(jī)理很可能就是基于電聲子作用的BCS理論，高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度源自于界面增強(qiáng)效應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)上，通過(guò)分子束外延技術(shù)制備結(jié)構(gòu)類(lèi)似于高溫超導(dǎo)材料的異質(zhì)結(jié)可以對(duì)界面誘導(dǎo)/增強(qiáng)超導(dǎo)效應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證。如果這個(gè)想法得到證實(shí)，這不僅提供了一個(gè)尋找高溫超導(dǎo)體系的明確方法，而且還可以利用高質(zhì)量薄膜樣品和其開(kāi)放結(jié)構(gòu)對(duì)其機(jī)理進(jìn)行有效的研究。界面增強(qiáng)效應(yīng)早在1968年就由美國(guó)物理學(xué)家在傳統(tǒng)超導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)(Phys. Rev. Lett. 21, 1320 (1968))，但是否適用于非常規(guī)高溫超導(dǎo)卻不得而知?；谝陨舷敕?，物理系薛其坤、馬旭村、陳曦、賈金鋒等組成的研究團(tuán)隊(duì)，從2008年開(kāi)始利用分子束外延-低溫強(qiáng)磁場(chǎng)掃描隧道顯微鏡這個(gè)強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行高溫超導(dǎo)材料的探索和高溫超導(dǎo)機(jī)理的研究。
2009年，他們首先在硅單晶襯底上的單原子層銦膜和鉛膜中觀(guān)測(cè)到界面增強(qiáng)超導(dǎo)現(xiàn)象(Nat. Phys. 6, 104 (2010))，證明以上想法是可行的。單層銦膜和鉛膜的超導(dǎo)現(xiàn)象先后得到了日本兩個(gè)研究組輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)的直接證實(shí)(Phys. Rev. Lett. 107, 207001 (2011), Phys. Rev. Lett. 110, 237001 (2013))以及美國(guó)理論物理學(xué)家的支持(Solid State Commun.151, 421 (2011))。2011年，在利用分子束外延技術(shù)制備高質(zhì)量二元化合物薄膜的基礎(chǔ)上(Science 332, 1410 (2011))，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在鈦酸鍶襯底上的單層FeSe薄膜具有20 meV左右的超導(dǎo)能隙，是體相FeSe超導(dǎo)能隙的8倍，這預(yù)示著界面增強(qiáng)效應(yīng)導(dǎo)致的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度有可能超過(guò)液氮溫度(Chin. Phys. Lett.29, 037402 (2012))。
這一研究成果很快得到了國(guó)內(nèi)外高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的關(guān)注，中國(guó)科學(xué)院物理所、復(fù)旦大學(xué)、中國(guó)人民大學(xué)、美國(guó)斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、休斯頓大學(xué)和日本國(guó)家材料研究所等單位的科學(xué)家都隨后開(kāi)始了這方面的研究。其中，中科院物理所周興江研究組和復(fù)旦大學(xué)封東來(lái)研究組的變溫角分辨光電子譜研究分別顯示，該體系的電子結(jié)構(gòu)不同于體相FeSe，其超導(dǎo)能隙直到65 K甚至70 K才消失(Nat. Commun.3, 931 (2012), Nat. Mater. 12, 605 (2013), Nat. Mater. 12, 634 (2013))。最近，在這篇題為“單層FeSe薄膜中高溫超導(dǎo)特性的直接實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”工作中，他們觀(guān)測(cè)到單層FeSe薄膜的零電阻和抗磁性現(xiàn)象，并且其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度和臨界電流密度分別為體相FeSe的數(shù)倍和數(shù)百倍。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，直接驗(yàn)證了外延于鈦酸鍶襯底上的單層FeSe是一種新型界面高溫超導(dǎo)體。此項(xiàng)工作對(duì)理解高溫超導(dǎo)機(jī)制以及探索新的高溫超導(dǎo)材料都具有重要的指導(dǎo)意義。
該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重大研究計(jì)劃、教育部“2011計(jì)劃”等項(xiàng)目的資助。
供稿：物理系 編輯：范麗
