界面超导体电学磁学特性的原位测量与研究

Recently, Chinese scientists have made significant breakthrough in the research field of interface superconductivity, in which a single-layer FeSe film epitaxially grown on a SrTiO3 surface (FeSe/STO) was found to have a very high superconducting transition temperature. With an in situ four-point-probe electrical transport measurement system, we succeeded in observing zero resistance of the FeSe/STO above 100K. In this project, we will continue to study some key issues of the interface superconductors like FeSe/STO, i.e., diamagnetic transition temperature, interface enhancement mechanism and potential of Tc increment, by using in situ experimental techniques. We will develop new device of AC mutual inductance coils for in situ measuring diamagnetism, so that the transition temperature of interface superconductors can be conclusively determined. Combining with in situ four-point-probe technique, we will study the influence of substrate resistivity on the interface superconductivity. We will also explore interface superconductors with higher transition temperature by carrier doping to FeSe/STO, and/or by growing new heterostructures with new film and substrate materials. We aim to not only enrich our knowledge of interface superconductivity but also to help understanding the phenomenon of high temperature superconductivity.

近几年来，我国科学家在界面超导研究领域取得了重要突破，率先发现外延生长在SrTiO3单晶衬底上的单层FeSe薄膜（FeSe/STO）具有极高的超导转变温度。我们通过原位四探针电输运测量法，在100K以上观察到了单层FeSe/STO的零电阻电输运特性。再此基础之上，我们在本项目中将通过原位测量电学磁学特性的实验手段，以FeSe/STO为中心研究界面超导的一些关键性问题，包括界面超导的抗磁性相变温度、超导增强机制、超导转变温度的提升潜力等。我们将开发原位交流互感线圈抗磁性测量装置，用以测量FeSe/STO等界面超导的抗磁转变温度；结合原位四探针电输运测量法研究衬底导电性对FeSe薄膜的超导特性的影响；通过对FeSe薄膜进行电荷掺杂，以及采用新的薄膜材料与衬底材料，制备新的异质结体系，以探索转变温度更高的界面超导体系。本项目不但将深化对界面超导现象的认识，也将有助于对高温超导现象的理解。

近几年来，我国科学家在界面超导研究领域取得了重要突破，率先发现外延生长在SrTiO3单晶衬底上的单层FeSe薄膜（FeSe/STO）具有极高的超导转变温度。这一成果受到了国内外众多研究组的关注与跟踪，也激发研究者们利用界面增强效应探寻更高转变温度的超导材料，和/或者在FeSe衍生超导材料当中探索高温超导机理。本项目在此背景之下，以FeSe/STO薄膜为中心研究界面超导的一些关键性问题，包括界面超导的抗磁性相变温度、超导增强机制、超导转变温度的提升潜力等，取得的主要研究成果体现在以下两方面：一方面，是研制成功了一套原位交流互感线圈抗磁性测量装置。该装置是基于我们自行研制的一套特殊的扫描隧道显微镜（STM）研制而成，可用于原位测量超导材料的抗磁特性。而且，该测量设备的安装并不改变原有的所有STM及已有的原位电输运测量功能，与分子束外延生长（MBE）设备联合，构成了一套集样品制备，结构表征与物性测量于一体的仪器设备，极大的提升实验效率以及数据间的关联度。该系统可用有限的经费和实验室占地面积实现大型真空互联系统的部分功能。该研发的关键部分以获得国家发明专利授权，在Review of Scientific Instruments期刊上发表了一篇学术论文。该设备的各项功能用于对双层In膜的超导特性的测量，成果发表于PRB Rapid communications, 并被选为editors’ suggestion和Featured in Physics。另一方面，是利用上述设备，成功的测量到了双层FeSe薄膜在表面吸附K原子后的宏观抗磁响应，由此而成功地在FeSe衍生超导材料当中首次观察到了连续的dome型相变图，并揭示了该体系的超导转变温度是由相刚度而非配对势决定的。这一结果加深了对非常规超导机理的认识，相关的部分研究成果发表于Physics Review Letters期刊。