原子尺度厚超导薄膜及其面内超晶格中的宏观量子态的探测和调控

在基金委前期项目成果基础上，利用项目组成员在超导薄膜生长、样品微加工、低温物性测量、理论分析等各方面的综合条件，开展极限尺寸下超导薄膜中量子现象的研究。主要思想是利用我们近年生长的原子尺度厚的Pb和FeSe超导薄膜，发展新的原位输运测量和磁成像观测手段，对原子尺度厚的Pb和FeSe超导薄膜中的局域超导电性、长程位相相干、超导涨落、二维电子的电子态对超导配对的影响等进行研究，同时，利用超导体的宏观量子态和磁通量子化的特性，用微加工手段在超导薄膜上制备周期为数百纳米的面内超晶格，实现磁通量子数的可控，来研究与凝聚态物质中量子现象相关的物理问题，如Bloch电子在磁场中运动时的Hofstadter butterfly能谱、二维Mott绝缘体中的金属-绝缘体相变、以及点阵结构构型引起的阻挫和局域化等，发现新现象、新物理，深入理解超导电性与量子受限的关系，寻找到实现单量子态精确可控的途径。

本项目的研究目的是利用项目组成员在超导薄膜生长、样品微加工、低温物性测量、理论分析等各方面的综合条件，开展极限尺寸下超导薄膜中量子现象的研究。主要思想是利用我们近年生长的原子尺度厚的Pb和FeSe超导薄膜，发展新的原位输运测量和磁成像观测手段，对原子尺度厚的Pb和FeSe超导薄膜中的局域超导电性、长程位相相干、超导涨落、二维电子的电子态对超导配对的影响等进行研究，同时，利用超导体的宏观量子态和磁通量子化的特性，用微加工手段在超导薄膜上制备周期为数百纳米的面内超晶格，实现磁通量子数的可控，来研究与凝聚态物质中量子现象相关的物理问题，发现新现象、新物理，深入理解超导电性与量子受限的关系，寻找到实现单量子态精确可控的途径。通过本项目的研究，我们在异质外延的大面积原子级平整的Pb单晶薄膜与FeSe单晶薄膜的超导电性、具有介观尺度周期性结构的超导样品中的宏观量子现象方面取得如下进展，（1）通过修饰异质外延界面的方法，首次实现了逐个原子单层厚度Pb单晶薄膜的制备，并完善了Pb薄膜随厚度变化的超导相图；（2）通过构造FeSe单晶薄膜/钛酸锶的异质结构，利用原位STS和非原位输运测量先后观测到界面增强高温超导特性。同时，角分辨光电子谱和扫描隧道显微镜研究研究表明界面电荷转移和界面增强电-声耦合作用是导致界面增强超导的关键因素；（3）在具有周期性孔阵列的超导体中观察到了约瑟夫森干涉效应；（4）在具有介观尺度周期性孔阵列的超导体中观察到了高场下的表面超导电性；（5）在多联通超导网络结构中观察到了阻挫与局域化现象。以上结果为研究低维和介观超导体中的量子现象，进而为理解低维超导体系中的超导机理提供了帮助。