清华发现单原子层超导体 超导技术获重大突破

日前，清华大学物理系薛其坤院士和陈曦、贾金锋组成的研究团队，与中科院物理所马旭村研究组、清华大学物理系王亚愚教授、香港中文大学林海青教授以及美国宾州州立大学刘荧教授等合作，发现在生长于硅衬底上的单原子层金属薄膜中存在超导现象。单个原子层是一个实际材料所能达到的极限厚度，因而该工作给出了“超导体到底可以有多薄”这一问题的明确答案。相关研究成果刊登在2010年1月10日《自然—物理学》(Nature Physics)的在线版上。

在降低温度时某些材料会进入超导状态，人们称这类材料为超导体。在超导状态下，材料的直流电阻为零，并且其内部不允许磁力线穿过，即具有完全抗磁性。超导是自然界中的一个重要宏观量子现象，自从荷兰科学家Onnes于1911年发现超导现象的近一百年来，超导电性的研究和超导材料的探索一直是物理学最重要的研究方向之一。作为一种典型的相变现象，超导电性随着材料维度的降低而逐渐受到抑制，比如薄膜的超导转变温度相比块材有显著下降。因而，超导体的极限厚度是一个长期令人关注但悬而未决的问题。

薛其坤、陈曦和贾金锋的研究团队组建于2006年。在过去三年多的时间里，他们致力于超高真空低温扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜和角分辨光电子能谱等实验技术的发展，并将STM隧道谱的稳定性和能量分辨率提高到同类仪器的国际领先水平。STM是一种能够得到原子级分辨(“看到”原子) 的实验手段，是二十世纪最重要的发明之一，为研究物理学、化学和材料科学中各种新奇量子现象提供了一个重要工具。STM的发明人Binnig博士和 Rohrer博士因此获得1986年的诺贝尔物理奖。Rohrer博士受薛其坤院士的邀请曾先后两次来访清华，并于2007年3月在“清华论坛”做过演讲。清华物理系的研究人员利用自己发展的高能量分辨扫描隧道谱，在生长于硅单晶表面的铅和铟的单原子层薄膜中观察到了超导能隙和磁通涡旋的形成。这表明尽管这些薄膜只有一个原子层的厚度，它们仍然是超导体。这项工作对于拓展超导的研究范围以及探索超导机理等具有非常重要的意义，同时也说明清华物理系的研究人员在原子水平上控制材料的生长，以及高灵敏度实验技术的发展等方面均进入国际先进水平之列。