物理系薛其坤院士研究组在界面诱导的非常规高温超导研究方面取得进展

自从1986年发现铜氧化物高温超导近三十年已经过去了，但其机理作为物理学一个重要科学难题仍然没有得到解决。高温超导材料均具有层状结构，形成库珀对的载流子来源于氧化物电荷库层的掺杂，与导致量子霍尔效应的两维电子气中载流子的来源非常类似。根据这些特点，薛其坤认为：高温超导机理很可能就是基于电声子作用的BCS理论，高的超导转变温度源自于界面增强效应。在实验上，通过分子束外延技术制备结构类似于高温超导材料的异质结可以对界面诱导/增强超导效应进行验证。如果这个想法得到证实，这不仅提供了一个寻找高温超导体系的明确方法，而且还可以利用高质量薄膜样品和其开放结构对其机理进行有效的研究。界面增强效应早在1968年就由美国物理学家在传统超导体中发现(Phys. Rev. Lett. 21, 1320 (1968))，但是否适用于非常规高温超导却不得而知。基于以上想法，物理系薛其坤、马旭村、陈曦、贾金锋等组成的研究团队，从2008年开始利用分子束外延-低温强磁场扫描隧道显微镜这个强大的实验技术进行高温超导材料的探索和高温超导机理的研究。

2009年，他们首先在硅单晶衬底上的单原子层铟膜和铅膜中观测到界面增强超导现象(Nat. Phys. 6, 104 (2010))，证明以上想法是可行的。单层铟膜和铅膜的超导现象先后得到了日本两个研究组输运实验的直接证实(Phys. Rev. Lett. 107, 207001 (2011),Phys. Rev. Lett. 110, 237001 (2013))以及美国理论物理学家的支持(Solid State Commun.151, 421 (2011))。2011年，在利用分子束外延技术制备高质量二元化合物薄膜的基础上(Science332, 1410 (2011))，该团队发现在钛酸锶衬底上的单层FeSe薄膜具有20meV左右的超导能隙，是体相FeSe超导能隙的8倍，这预示着界面增强效应导致的超导转变温度有可能超过液氮温度(Chin. Phys. Lett.29, 037402 (2012))。这一研究成果很快得到了国内外高温超导领域的关注，中国科学院物理所、复旦大学、中国人民大学、美国斯坦福大学、加州大学伯克利分校、休斯顿大学和日本国家材料研究所等单位的科学家都随后开始了这方面的研究。其中，中科院物理所周兴江研究组和复旦大学封东来研究组的变温角分辨光电子谱研究分别显示，该体系的电子结构不同于体相FeSe，其超导能隙直到65K甚至70K才消失(Nat. Commun.3, 931 (2012),Nat. Mater.12, 605 (2013),Nat. Mater. 12, 634 (2013))。

钛酸锶衬底上单层FeSe薄膜的电输运（a）和磁性（b）测量结果

最近，由马旭村、王立莉、陈曦、季帅华、王亚愚和薛其坤组成的研究团队带领学生和博士后共同攻关，并在该方向上取得突破。在成功制备大面积原子级平整的单原子层FeSe薄膜和与FeSe薄膜界面尖锐的FeTe保护层的基础上，他们与北京大学王健、华中科技大学李亮、日本东北大学陈明伟等合作，利用电输运和磁性测量直接证明了该体系的高温超导特性。如图(a)所示，超导的起始转变温度为50K以上，在23K达到零电阻，这与图(b)中的抗磁性测量得到的转变温度一致。由于钛酸锶衬底和FeTe保护层均不超导，因此该体系是目前已发现的、最薄的高温超导材料，而且其临界电流比体相高近两个量级。该成果以“Direct observation of high-temperature superconductivity in one-unit-cell FeSe films”为题发表在《中国物理快报》杂志上(Chin. Phys. Lett.31, 017401 (2014))。文章发表后，美国Science杂志在Editors’ Choice栏目中以“A very thin superconductor”为题对该工作进行了报道(Science343, 230 (2014))。此项工作对理解非常规高温超导机制以及探索新的高温超导材料都具有重要的指导意义。

该研究工作得到了国家自然科学基金、科技部重大研究计划、教育部“2011计划”等项目的资助。