清華大學(xué)物理系薛其坤院士研究團隊在界面誘導(dǎo)的高溫超導(dǎo)研究方面取得進展

2014 年初，由清華大學(xué)物理系馬旭村、王立莉、陳曦、季帥華、王亞愚和薛其坤組成的研究團隊帶領(lǐng)學(xué)生和博士后共同攻關(guān)，在界面誘導(dǎo)/增強的高溫超導(dǎo)研究上取得突破。該研究團隊在成功制備大面積原子級平整的單原子層FeSe薄膜和與FeSe薄膜界面尖銳的FeTe保護層的基礎(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，利用電輸運和磁性測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。由于鈦酸鍶襯底和FeTe保護層均不超導(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，而且其臨界電流密度比體相FeSe高近兩個量級。該成果以“單層FeSe薄膜中高溫超導(dǎo)特性的直接實驗驗證”（Direct observation of high－temperature superconductivity in one－unit－cell FeSe films）為題發(fā)表在《中國物理快報》雜志上（Chin.Phys.Lett.31，017401（2014））。文章發(fā)表后，美國《科學(xué)》（Science）雜志在“編輯選擇”（Editors’Choice）中以“一個非常薄的超導(dǎo)材料”（A very thin superconductor）為題對該工作進行了報道（Science 343，230（2014））。

自從1986年發(fā)現(xiàn)銅氧化物高溫超導(dǎo)近30年已經(jīng)過去了，但其機理作為物理學(xué)一個重要科學(xué)難題仍然沒有得到解決。高溫超導(dǎo)材料均具有層狀結(jié)構(gòu)，形成庫珀對的載流子來源于氧化物電荷庫層的摻雜，與導(dǎo)致量子霍爾效應(yīng)的兩維電子氣中載流子的來源非常類似。根據(jù)這些特點，薛其坤院士認為：高溫超導(dǎo)機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效應(yīng)。在實驗上，通過分子束外延技術(shù)制備結(jié)構(gòu)類似于高溫超導(dǎo)材料的異質(zhì)結(jié)可以對界面誘導(dǎo)/增強超導(dǎo)效應(yīng)進行驗證。如果這個想法得到證實，這不僅提供了一個尋找高溫超導(dǎo)體系的明確方法，而且還可以利用高質(zhì)量薄膜樣品和其開放結(jié)構(gòu)對其機理進行有效的研究。界面增強效應(yīng)早在1968年就由美國物理學(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。基于以上想法，清華大學(xué)物理系薛其坤、馬旭村、陳曦、賈金鋒等組成的研究團隊，從2008年開始利用分子束外延－低溫強磁場掃描隧道顯微鏡這個強大的實驗技術(shù)進行高溫超導(dǎo)材料的探索和高溫超導(dǎo)機理的研究。

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測到界面增強超導(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研究組輸運實驗的直接證實（Phys.Rev.Lett.107，207001 （2011），Phys.Rev.Lett.110，237001（2013））以及美國理論物理學(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）），該團隊發(fā)現(xiàn)在鈦酸鍶襯底上的單層FeSe薄膜具有20meV 左右的超導(dǎo)能隙，是體相FeSe超導(dǎo)能隙的8倍，這預(yù)示著界面增強效應(yīng)導(dǎo)致的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度有可能超過液氮溫度（Chin.Phys.Lett.29，037402（2012））。這一研究成果很快得到了國內(nèi)外高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的關(guān)注，中國科學(xué)院物理所、復(fù)旦大學(xué)、中國人民大學(xué)、美國斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、休斯頓大學(xué)和日本國家材料研究所等單位的科學(xué)家都隨后開始了這方面的研究。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65K 甚至70K 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)特性的直接實驗驗證”工作中，他們觀測到單層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。以上實驗結(jié)果，直接驗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。此項工作對理解高溫超導(dǎo)機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家自然科學(xué)基金、科技部重大研究計劃、教育部“2011計劃”等項目的資助。