基于表面一维或准一维纳米结构超导特性的探索和研究

One-dimensional (1D) and quasi-1D materials have become one of the most important research area in condense matter physics. However, the study of 1D superconductor properties are at the initial stage. Seeing that potential applications in superconducting quantum devices, in this project we would take advantages of scanning tunneling microscopy (STM) with vector-magnetically field, to investigate 1D surface system, quasi-1D surface system and hetrostructure on atomic-scale, including 1D atomic wires on semiconductor substrate, 1D long-chain molecule and 1D transition metal dichalcogenide (TMD) materials. By characterizing the superconducting gap and vortex at different positions of materials, we could explore the coupling between charge, spin and other quantum orders, and the influence on 1D superconductor properties. In addition, by the changing of the superconducting energy gap and vortex depending on the direction of vector magnetic field, the project will investigate the 1D superconductor with anisotropy superconducting energy gap. Through changing the material structures and external excitations, we may change 1D superconductor properties of different materials. It iis expected to obtain the universal mechanism of 1D superconductivity through the study of superconductor in the surface system based on 1D and quasi-1D nanostructure. Moreover, these studies would help to prepare materials and research data for developing quantum computer.

一维和准一维材料已成为凝聚态物理领域的重要研究课题之一，然而其一维超导性质的研究目前尚处于起步阶段。基于未来一维材料在超导量子器件领域里潜在的应用，本项目拟采用矢量磁体的扫描隧道显微镜，在原子尺度上探索研究基于表面的一维或准一维纳米材料的超导性质，包括半导体表面一维自组装原子链、一维长链分子、一维过渡金属硫化物纳米结构。拟对材料的不同位置上的超导能隙和涡旋进行测量，探索研究电荷、自旋等自由度之间的耦合对一维超导特性的影响；此外，通过矢量磁体在不同方向上对超导的能隙和涡旋的改变，探索一维超导中可能存在的超导各向异性；初步尝试对材料结构的修饰和外界的激发，来调控一维超导性质。项目研究期望通过基于表面的一维和准一维纳米结构超导性质研究发现一维纳米结构超导的普适性机制，同时也为探索开发基于表面一维系统的量子计算器件提供一定的材料制备与实验数据积累。

对低维材料的开发以及物理性质的探索已成为凝聚态物理研究领域里最热门的研究方向，尤其是对超导性质的探索。由于一维材料维度降低，超导性质明显减弱；同时目前的一维材料种类有限。通过发展并构造多种新型二维材料，并尝试在其中降低维度来获得一维、准一维材料并探索其超导性质的变化，是近些年发展的新方向。由于一维超导材料在制备过程中存在的困难，经研究计划和目标调整后，本项目通过二维材料和一些一维/准一维材料，利用生长技术的改进探索基于表面体系的二维和一维/准一维纳米材料普适的一些制备方法，并研究其超导性质。材料主要包括基于过渡金属的化合物、一维长链分子和一些新型功能材料异质结等；通过相关的研究发现：利用分子束外延技术发展出了基于过渡金属化合物、一维分子链等多种二维和一维的材料，并在部分材料中发现了可能存在的超导迹象，通过发展的材料制备和调控技术可以在部分二维材料里获得一维结构，而对部分具有一维结构的二维材料中普遍存在能隙，但能隙的大小、临界场等性质与传统的二维和三维材料有较大差别，其能隙是否为超导能隙以及具体的调控原因仍需要继续研究。此外利用缺陷、电荷密度波和光调控等手段可以对低维材料中的电子关联作用产生一定调控影响，通过真空原位一体化技术和低维绝缘薄膜制备技术能有效保护低维材料不受大气破坏，并可以初步获得工业原料制备的低维材料。这些结果为揭示低维材料超导的一些机理和制备方法提供一定思路，也为未来探索基于一维材料的量子计算器件提供一定的材料和实验技术积累。