清華發(fā)現(xiàn)單原子層超導(dǎo)體 超導(dǎo)技術(shù)獲重大突破

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)，與中科院物理所馬旭村研究組、清華大學(xué)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)研究成果刊登在2010年1月10日《自然—物理學(xué)》(Nature Physics)的在線版上。

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(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)象的近一百年來(lái)，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、陳曦和賈金鋒的研究團(tuán)隊(duì)組建于2006年。在過(guò)去三年多的時(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(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，是二十世紀(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博士受薛其坤院士的邀請(qǐng)?jiān)群髢纱蝸?lái)訪清華，并于2007年3月在“清華論壇”做過(guò)演講。清華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，它們?nèi)匀皇?strong>超導(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)明清華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。