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到时候银虫 (小有名气)
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低维超导研究获重大进展 已有7人参与
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超导电性起源于传导电子的配对和相干凝聚，是一种宏观量子现象。自荷兰科学家昂尼斯于1911年发现超导现象以来，超导电性的研究已有百年历史。在丰富多彩的超导现象中，低维超导体以其独特性质一直为人们所关注。人们发现非晶薄膜状态下许多元素的超导温度会提高，有机超导体多具有一维或层状结构，人们还预言二维金属膜中会存在超导—绝缘体转变、量子效应引起的超导温度震荡等一些有趣的现象，在表面或界面上还可能存在非常规配对机制。 那么超导是否和维度有关呢？一般来讲，体系维度的降低会使热涨落增强，无序和缺陷等也会增加，这将造成电子局域化和相位涨落而抑制超导电性发生。比如多数单晶薄膜的超导温度会随厚度减小而降低。早期的理论也认为低维状态情况下不存在BCS（超导电性量子理论）超导长程序、理想二维电子体系的基态是绝缘的。那么人们不禁要问，对于接近二维情况的超导薄膜来说，究竟能薄到什么程度还能保持超导电性呢？同时表面和界面比例的增加又会带来什么作用呢？ 金属薄膜是人们最早研究的低维超导体系。1989年，美国古德曼研究组发现低温生长的超薄铋和铅膜会随厚度变化发生绝缘体到超导体的转变。这类薄膜具有非晶结构，出现超导的最薄厚度在几个埃左右，这后来被认为是二维体系中超导相位涨落导致的量子相变。到了20世纪90年代，人们发现利用低温生长技术可以在半导体衬底得到有序的单晶金属薄膜。单晶金属薄膜缺陷和无序度很低，是研究二维超导电性的理想体系。2004年我们（中科院物理研究所表面物理国家重点实验室）小组成功地在硅衬底上制备出了具有原子级平整度且在宏观范围内均匀的几个纳米的单晶铅膜，通过输运测量这些单晶铅膜具有强烈的量子尺寸效应，其超导转变温度随层厚呈现振荡变化，这验证了40年前从理论上预期的超导性质随薄膜厚度的振荡行为。这一工作引发了各国科学家对金属薄膜体系及其厚度变化导致的超导性质产生了极大兴趣。2009年美国施至刚研究组利用扫描隧道显微镜在三个单原子层厚的铅膜上观测到超导能隙，说明三个单原子层厚的Pb膜是超导的。但是，三个单原子层并不是薄膜厚度的物理极限。如果薄膜厚度再小下去将会发生什么呢？ 从2006年起，我们在一台商品化极低温强磁场STM的基础上对其进行了系统的改造，使这台STM稳定性、噪音水平和能量分辨率上都达到了同类仪器的最高水平。实验技术的发展是我们成为世界上少数的几个能够将STM技术发展到具有单自旋灵敏度的研究组之一。我们对最薄的金属薄膜—硅衬底上生长的单原子层铅膜和铟膜，进行了超导电性和电子结构的测量，发现它们是具有BCS特征的强耦合超导体。这是自超导现象被发现以来在实验上报道的最薄的超导体。 通过施加外磁场，我们还观察到了薄膜中量子化的磁通，这进一步证实了超导电性的存在。通过原位角分辨光电子能谱测量，我们发现铅的非公度相具有类自由电子的能带结构，其电声耦合常数λ为1.07，显著高于一般Pb薄膜的λ（<0.9）值。这些现象说明Si（111）衬底的存在对超导电性的产生起了重要作用：它首先作为结构支撑，保证了二维极限下单原子层薄膜的稳定存在，抑制了热涨落对超导序参量的破坏；更重要的是金属/半导体界面的存在增强了电声子的耦合，这是单原子层超导体区别于一般超导薄膜的重要特征。 这一研究成果直接展示了系统在非常接近二维的情况下存在超导电性，回答了低维超导领域一个初期悬而未决的问题，并为探索界面效应在超导机制中的作用提供了一个新的途径。 |
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" 从2006年起，我们在一台商品化极低温强磁场STM的基础上对其进行了系统的改造，使这台STM稳定性、噪音水平和能量分辨率上都达到了同类仪器的最高水平。实验技术的发展使我们成为世界上少数的几个能够将STM技术发展到具有单自旋灵敏度的研究组之一。我们对最薄的金属薄膜—硅衬底上生长的单原子层铅膜和铟膜，进行了超导电性和电子结构的测量，发现它们是具有BCS特征的强耦合超导体。这是自超导现象被发现以来在实验上报道的最薄的超导体。 通过施加外磁场，我们还观察到了薄膜中量子化的磁通，这进一步证实了超导电性的存在。通过原位角分辨光电子能谱测量，我们发现铅的非公度相具有类自由电子的能带结构，其电声耦合常数λ为1.07，显著高于一般Pb薄膜的λ（<0.9）值。这些现象说明Si（111）衬底的存在对超导电性的产生起了重要作用：它首先作为结构支撑，保证了二维极限下单原子层薄膜的稳定存在，抑制了热涨落对超导序参量的破坏；更重要的是金属/半导体界面的存在增强了电声子的耦合，这是单原子层超导体区别于一般超导薄膜的重要特征。 这一研究成果直接展示了系统在非常接近二维的情况下存在超导电性，回答了低维超导领域一个初期悬而未决的问题，并为探索界面效应在超导机制中的作用提供了一个新的途径。 " |
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