薛其坤團(tuán)隊(duì)領(lǐng)銜發(fā)現(xiàn)單原子層的超導(dǎo)體

本報(bào)訊 日前,清華大學(xué)物理系薛其坤院士和陳曦、賈金鋒組成的研究團(tuán)隊(duì),與中國科學(xué)院物理所馬旭村研究組、我校物理系王亞愚教授、香港中文大學(xué)林海青教授以及美國賓州州立大學(xué)劉熒教授等合作,發(fā)現(xiàn)在生長于硅襯底上的單原子層金屬薄膜中存在超導(dǎo)現(xiàn)象.單個(gè)原子層是一個(gè)實(shí)際材料所能達(dá)到的極限厚度,因而該工作給出了“超導(dǎo)體到底可以有多薄”這一問題的明確答案.相關(guān)研究成果發(fā)表在本年2月的 Nature Physics上.

在降低溫度時(shí)某些材料會(huì)進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài),人們稱這類材料為超導(dǎo)體.在超導(dǎo)狀態(tài)下,材料的直流電阻為零,并且其內(nèi)部不允許磁力線穿過,即具有完全抗磁性.超導(dǎo)是自然界中的一個(gè)重要宏觀量子現(xiàn)象,自從荷蘭科學(xué)家Onnes于1911年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象后近100年,超導(dǎo)電性的研究和超導(dǎo)材料的探索一直是物理學(xué)最重要的研究方向之一.作為一種典型的相變現(xiàn)象,超導(dǎo)電性隨著材料維度的降低而逐漸受到抑制,比如薄膜的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度相比塊材有顯著下降.因而,超導(dǎo)體的極限厚度是一個(gè)長期令人關(guān)注但懸而未決的問題.

薛其坤團(tuán)隊(duì)組建于2006年.在過去3年多的時(shí)間里,他們致力于超高真空低溫掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡和角分辨光電子能譜等實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展,并將STM隧道譜的穩(wěn)定性和能量分辨率提高到同類儀器的國際領(lǐng)先水平.STM是一種能夠得到原子級(jí)分辨(“看到”原子)的實(shí)驗(yàn)手段,是20世紀(jì)最重要的發(fā)明之一,為研究物理學(xué)、化學(xué)和材料科學(xué)中各種新奇量子現(xiàn)象提供了一個(gè)重要工具.STM的發(fā)明人Binnig博士和Rohrer博士因此獲得1986年的諾貝爾物理獎(jiǎng).Rohrer博士受薛其坤院士邀請(qǐng)?jiān)群髢纱卧L問我校,并于2007年3月在“清華論壇”作過演講.物理系的研究人員利用自己發(fā)展的高能量分辨掃描隧道譜,在生長于硅單晶表面的鉛和銦的單原子層薄膜中觀察到了超導(dǎo)能隙和磁通渦旋的形成.這表明盡管這些薄膜只有一個(gè)原子層的厚度,但它們?nèi)匀皇浅瑢?dǎo)體.這項(xiàng)工作對(duì)于拓展超導(dǎo)的研究范圍以及探索超導(dǎo)機(jī)理等具有非常重要的意義,同時(shí)也說明物理系的研究人員在原子水平上控制材料的生長以及高靈敏度實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展等方面均進(jìn)入國際先進(jìn)水平之列.

除上述成果外,近3年薛其坤團(tuán)隊(duì)還在多項(xiàng)研究中取得了重要進(jìn)展.反映這些成果的研究論文分別發(fā)表在國際物理學(xué)研究最重要的期刊之一 ——《物 理 評(píng) 論 快 報(bào) 》(Physical Review Letters)上.為此,薛其坤院士被邀請(qǐng)?jiān)?010年3月的美國物理學(xué)會(huì)年會(huì)上作報(bào)告.這是近年來我校研究人員首次得到在這個(gè)物理學(xué)界最有影響力的國際會(huì)議上作特邀學(xué)術(shù)報(bào)告的邀請(qǐng).(清華大學(xué)物理系)[摘自清華大學(xué)?？缎虑迦A》1790期,2010.03.12出刊]