物理所金屬薄膜材料的量子效應研究取得重要進展

    按照量子力學，電子在一維方勢阱中受限運動時其能級將變成分立的，這些分立能級稱為量子阱態，量子阱態的形成會導致費米面附近電子態密度的重新分布和變化。在凝聚態材料中，材料的很多性質和基本參量取決於電子在費米面附近的分布。因此，量子阱態導致的費米面附近電子態密度的變化會改變這些性質和參量，從而導致材料奇特的物理和化學性質，是最近材料科學、物理和化學等學科發展中的一個重要基本問題。

    半導體或絕緣體襯底上的金屬薄膜材料是一個理想的一維方勢阱體系。在這種體系中，電子運動被半導體能隙和真空勢壘限制在金屬薄膜對應的勢阱中。由於金屬電子的費米波長很短，要觀察到顯著的量子效應，薄膜的厚度就要達到納米尺度且其形貌要有原子級的平整度。但是，對絕大多數金屬/半導體異質結體系來講，由於晶格和原子間成鍵特性的差異，控制性重複性地製備出高質量的薄膜材料是極其困難的。因此，製備金屬材料的一維方勢阱體系在材料科學上是一個很大的挑戰。

    物理所薛其坤和賈金鋒領導的研究小組，採取低溫生長方法，戰勝了這一材料科學難題，成功在Si襯底上製備出了具有原子級平整度且在宏觀範圍內均勻的鉛薄膜，並實現了薄膜厚度一個原子層一個原子層變化的精確控制，這實際上就是製備出了一個理想的、勢阱寬度可調的一維方勢阱體系。他們與物理所趙忠賢、王恩哥以及美國牛謙和邱子強等教授領導的研究小組合作，從實驗和理論上系統地研究了量子效應對電子結構的影響，觀察到了量子阱態形成對費米能級附近電子態密度和電聲子耦合強度的調製行為，觀察到了Pb薄膜超導轉變溫度隨薄膜厚度的振蕩現象。

    該工作得到美國Science雜誌兩位評審人的高度評價。一位評審人寫道：「該文章報導了一個漂亮的實驗，證明了量子尺寸效應對薄膜超導電性的影響，這是一個對固體物理學發展具有重要基礎意義的問題」，「低溫物理學和表面科學是傳統意義上兩個不同的學科，很少有交叉，該工作則把從表面科學發展起來的最新薄膜材料製備技術巧妙地運用到了超導領域重要問題的研究中，這些結果非常重要，強烈推薦該文章在Science發表」。另一個評論道：「這是一個漂亮工作，作者製備出了質量極好的薄膜，成功觀察到了超導溫度的振蕩，值得在Science上發表。」

    Science編輯部在發表該文的同時還邀請了世界著名科學家、金屬薄膜量子效應研究的開拓者之一T. C. Chiang教授撰文在同一期的「Perspectives」欄目上專門對該工作進行了評價。Chiang教授指出，從上世紀六十年代人們就已開始探索薄膜厚度對超導性質的影響，並從理論上預期了超導性質隨薄膜厚度的振蕩行為，但由於材料質量問題，以上問題一直未能解決。Guo等人製備出了原子級平整的薄膜，觀察到了超導溫度的振蕩行為，很好地解釋了量子化能級與超導電性的關係，對該問題給出了確定性和定量性的證明。Chiang教授還高度評價到，該工作把這類實驗的精確度和完美性提高到了一個新的水平。

    研究結果發表在12月10日的Science上，在同期的「Perspectives」和「This Week in SCIENCE」兩個欄目被進一步介紹。該工作得到了中科院知識創新工程、國家自然科學基金委和科技部「973」項目的資助。