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(guó)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(guó)賓州州立大學(xué)劉熒教授等合作,發(fā)現(xiàn)在生長(zhǎng)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(wèn)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(lèi)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(guò),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(zhǎng)期令人關(guān)注但懸而未決的問(wèn)題.

薛其坤團(tuán)隊(duì)組建于2006年.在過(guò)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(lèi)儀器的國(guó)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(wèn)我校,并于2007年3月在“清華論壇”作過(guò)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(zhǎng)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(shuō)明物理系的研究人員在原子水平上控制材料的生長(zhǎng)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(guó)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(guó)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(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)上作報(bào)告.這是近年來(lái)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(guó)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]