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北大王健與清華薛其坤等人在界面高溫超導領域的重要進展：最薄的高溫超導體被實驗證實

2012年，薛其坤院士與馬旭村研究員團隊利用超高真空分子束外延技術在钛酸锶襯底上成功制備出單個原胞厚 (0.55nm) 的FeSe超導薄膜。不同于傳統理論對超導薄膜的預言（薄膜越薄，Tc越低，在二維極限下因量子漲落超導消失），原位的掃描隧道譜實驗在單層FeSe薄膜中發現20meV能隙，如果這一能隙是超導能隙，可以推斷其TC可能會突破液氮溫度（77K）(Chin. Phys. Lett. 29, 037402 (2012))。要知道，FeSe塊材的超導轉變溫度隻有8 K左右，而除了銅氧化物超導體還沒有第二種超導體可以突破液氮溫度。因次，這一工作很快得到了國内外學術界的廣泛關注，中國科學院物理所、複旦大學、中國人民大學、美國斯坦福大學、加州大學伯克利分校、休斯頓大學和日本國家材料研究所等單位的科學家都随後開始了這方面的研究。例如中科院物理所周興江組和複旦大學封東來組的變溫角分辨光電子譜實驗研究進一步證實了單層FeSe薄膜中可能存在遠大于體相的超導能隙，在65 K左右能隙消失 (Nat. Commun. 3, 931 (2012)；Nat. Mater. 12, 605 (2013)；Nat. Mater. 12, 634 (2013))。上述一系列重要的實驗結果表明單層FeSe很可能是一種新型界面高溫超導體。事實上，超導最重要的兩個現象是零電阻和邁斯納效應，相應的實驗結果被看作是超導的直接證據。由于單層FeSe很難在大氣環境中存活，相應的物性測量極其困難，因此單層FeSe超導的直接證據一直未被報道。

2012年，beat365-清華大學-中國科學院物理研究所量子物質科學協同創新中心在教育部支持下開始籌備和運轉，創新中心成員beat365量子材料科學中心王健研究組與清華大學薛其坤院士研究組（包括馬旭村、王立莉、王亞愚、陳曦、季帥華等）組成聯合團隊對單層FeSe薄膜的超導電性展開項目攻關。經過一年多的辛勤努力，發現可以利用FeTe膜做保護層，成功實現單層FeSe薄膜電輸運和邁斯納效應的測量。物性研究結果表明，蓋有保護膜的單層FeSe薄膜具有最高到54.5K的超導轉變（高溫超導證據），在23.5K時顯示出完全零電阻（當前實驗儀器精度以内），并且擁有極高的臨界磁場（大于52特斯拉）和臨界電流（大于一百萬安培每平方厘米）。單層FeSe薄膜的超導臨界電流比體材料時大了兩個數量級，并可以通過對FeSe薄膜的钛酸锶襯底加背電極進一步調制FeSe薄膜的物性，這就為單層FeSe在超導納米器件方面的應用奠定了基礎（比如FET和SQUID等）。進一步的實驗證實了單層FeSe的超導層隻有0.55納米厚，因此外延于钛酸锶襯底上的單層FeSe薄膜已成為目前發現的最薄的高溫超導體。上述結果表明二維界面調制對于超導特性起着關鍵性作用，這不僅對高溫超導和二維超導機理的研究有着重要科學意義，并且為探索新的高溫超導體、甚至超導發現一百年來人類的夢想——室溫超導體提供了新的平台和途徑。單層FeSe超導物性的證明工作還得到了武漢強磁場中心李亮教授、王俊峰副教授和夏正才教授在強場測量方面以及日本東北大學陳明偉教授在高分辨電鏡表征方面的鼎力協助。

這一成果以“Direct observation of high-temperature superconductivity in one-unit-cell FeSe films”為題，作為 Express Letter 發表在《中國物理快報》上 (CHIN. PHYS. LETT. 31, 017401 (2014))：http://cpl.iphy.ac.cn/EN/Y2014/V31/I1/017401，清華大學博士研究生張文号和beat365博士後孫祎為并列第一作者，beat365王健研究員、清華大學王立莉副研究員和薛其坤院士為文章通訊作者。文章發表後迅速得到國際學術界的重點關注，《科學》雜志（Science）以“A very thin superconductor”為題以編輯推薦（Editors’Choice）的形式對這一成果進行了專門報道 (Science 343, 230 (2014))：http://www.sciencemag.org/content/343/6168/twil.full

上述研究工作得到了國家重大科學研究計劃、自然科學基金以及教育部“2011計劃”等項目的資助。

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