硅基表面金属超薄膜上的微观磁性结构体的电子自旋传输

本项目将依循纳米结构自组装的生长模式，通过极微量的金属原子的物理修饰，在单晶硅的表面上构建准低维金属超薄膜。以此近乎理想的低维电子气系统为衬底，利用分子束外延法进一步制备出微观磁性结构体阵列。借助强磁场超低温自旋极化扫描隧道显微镜来研究这类磁性结构体的核磁矩以及外核电子自旋之间由衬底的自由电子气传递的RKKY相互作用的特征，并利用此间接性的相互作用实现电子自旋的远距离传输，以寻求对核磁矩与电子自旋的量子调控的新的方法，并为研究自旋量子运算的可行性提供新的实验依据，打下实验基础。

在晶体表面制备超薄薄膜来构建低维量子体系，是研究低维量子物理现象的一个重要而有效的实验方式与手段。在本项目当中，我们在不同的晶体表面制备了各类薄膜材料，取得了如下几方面的成果：1，以分子束外延法在Si(111)衬底上生长了一维电子气体系：Si(111)-4x1-In表面超结构，并在这两类超结构上蒸镀了磁性原子Co；利用STM与STS，观测到了Co原子的分布特征与原表面超结构的电子能带结构受Co原子吸附的影响。Si(111)-4x1-In表面超结构在低温下是一个电荷密度波体系，他与其晶格的周期形变（二聚化）是相位耦合的。但我们通过对吸附了Co原子的Si(111)-4x1-In表面超结构的电子态的STS探测，发现Co原子的吸附导致该体系的电荷波密度与其晶格二聚化发生相位失藕。该研究结果为我们进一步理解该体系的电荷密度波的本质以及电荷密度波与杂质之间的相互作用提供了直观而可视的实验结果。2，我们在Ag(111)衬底上通过MBE法生长出具有多相共存特性的硅烯薄膜。通过高分辨的STM观察，我们首次发现了三个新的硅烯超结构，并对原已发现的一类硅烯超结构做了细致的结构分析，从而解决了近年来本研究领域对硅烯结构的认识的许多分歧。该研究成果发表于《New Journal of Physics》及《APL Materials》两个学术期刊上。3，利用原位四探针电输运测量系统，在导电SrTiO3(001)衬底上生长的单层FeSe薄膜（FeSe/STO）中观察到了100K以上的高温界面超导现象。考虑到FeSe体材料的超导转变温度才8-9K，该研究工作是对界面增强超导最直接的实验验证，证实了该体系存在高温超导的预测，也将对高温超导机理研究产生重要的促进作用。该研究成果发表于《Nature Materials》。4，在超导体NbSe2单晶衬底上制备了拓扑绝缘体薄膜，并通过翔实的实验数据，证实了该体系表面是一个人造拓扑超导体。在这种由近邻效应引起的拓扑超导中，在国际上率先成功观察到了量子磁通涡旋和其中的束缚态，并发现了Majorana费米子存在的实验迹象。这方面的工作发表于《Science》和《Physics Review Letters》等杂志上。