低维体系高温超导 --香山科学会议第468次学术讨论会综述
自从1986年发现铜氧化物高温超导到今天，其超导机理仍然是物理学界未解的最重要的难题之一。我国科学家一直在氧化物高温超导研究方向非常活跃，特别是在铁基超导的发现和研究中均处于国际领先地位。2012年，我国科学家独立发现了第二个超导转变温度超过77 K的材料体系的迹象。因此，低维高温超导材料的探索和高温超导微观机理的研究不但是物理学的前沿研究方向，而且很有可能会促进一系列重要成果的产生。
为了对“低维体系高温超导”领域的关键科学问题进行讨论，对高温超导体系研究中的科学问题进行交流，探索新超导材料体系以及高温超导材料在电子学器件等方面的应用，以战略的眼光来预估未来的发展趋势，制定预期目标，为今后学科发展奠定基础。2013年9月26-28日，在苏州召开了以“低维体系的高温超导体”为主题的香山科学会议第468次学术讨论会。薛其坤教授、杨辉研究员、丁洪研究员和张广铭教授为会议执行主席，高温超导研究领域的老中青30多位专家学者参加了会议。与会专家围绕（1）超导薄膜实验研究和应用；（2）超导材料电子态研究；（3）超导材料输运性质研究；（4）超导机理研究等中心议题进入深入讨论，并提出了具有建设性的意见和建议。
丁洪教授回顾了超导微观理论——BCS理论的发现过程，总结了超导体在强磁体、核磁共振和量子计算等领域的应用。阐释了高温超导机理的研究现状和主要进展，并展望了高温超导的未来发展前景。薛其坤教授作了题为“高温超导研究的机遇”的主题评述报告,从独特的材料制备的角度分析了高温超导体研究中存在的问题，对比半导体材料，高温超导材料相图中的掺杂存在很大的不确定性。正是这些不确定性给高温超导的机理研究带来了重重困难。利用分子束外延技术，可以大大提高样品的质量，加上先进的原位的表征手段，如低温扫描隧道显微镜、低温角分辨光电子能谱等，这些有利的条件为高温超导的研究、探索新的高温超导材料提供了新的机遇。
与会的专家围绕上述两个主题评述报告，对当前高温超导机理、低维高温超导的研究现状和未来研究的发展进行了交流和讨论。本次“低维体系高温超导体”会议的召开，极大地促进了国内这一前沿研究领域专家学者之间的相互交流，进一步深化了对这一国际难题的认识，明确了未来研究领域的发展方向。
一、超导薄膜实验研究和应用
围绕纳米真空互联实验装置的搭建和应用，专家认为超高真空互联系统是未来材料科学研究的重要发展方向，研制具有高端的材料生长、微纳加工、器件封装测试强大功能的真空互联系统，具有极其重要的战略意义。“纳米真空互联综合实验站”将建立一个真空环境的机械和控制互联系统，实现无机到有机的材料制备、器件加工与封装、以及各种极端条件下测试的综合研究设施，通过真空互联解决在材料生长、器件工艺环节、测试分析以及样品转移中水氧等杂质污染问题等，这一大型科学装置的搭建也将对低维高温超导的研究起到极大地推进作用，为我国在这一快速发展领域继续保持优势提供扎实的硬件基础。
与会专家介绍了在研究钛酸锶（STO）衬底上单层硒化铁薄膜的生长和超导电性方面取得的最新进展，确定性地证明了FeSe铁基超导体中的电子配对函数具有两重对称性。最近，又在STO衬底上成功制备出原子级平整的单原胞（1UC）厚度FeSe薄膜。FeSe/STO界面超导。这一发现不仅提供了一种提高超导转变温度的简单有效的方法，而且为探寻非常规超导体的超导机制提供了重要的线索。
与会专家还介绍了高临界温度超导探测器及太赫兹技术在天文学领域的应用。太赫兹波段超导探测器具有接近量子极限或背景极限的超高灵敏度，且易于大规模阵列集成，在天体物理学和宇宙学研究中正发挥越来越重要的作用。迄今为止，广泛应用的太赫兹超导探测器大都基于低温超导材料，需工作在液氦及更低温区，这对太空及南极等极端环境下的应用带来巨大挑战。太赫兹超导探测器技术在天文等领域有着广泛应用前景。
与会专家指出，在铜氧化物的界面超导依然存在着许多问题，并介绍了最近在铜氧化物界面超导研究中取得进展。他们利用不同的生长厚度、反射高能电子衍射（RHEED）、时间飞行离子反射谱、利用Zn的单层掺杂等手段，证明超导确实在界面的单层或者几层存在。他们利用不同的掺杂相图研究，发现了在铜氧化合物界面超导转变温度的不随Sr浓度变化的反常现象，间接推测出铜氧化合物中界面超导的机制似乎是由于空穴扩散。对于界面增强超导现象，人们发现在界面的电荷重新分布，改变了铜氧化物中c轴的长度，可能和Tc的提高有关。但其具体机理，现在还是一个问题。
在讨论中有专家指出，体材料中实现更高转变温度的超导态似乎希望不大，但是人工结构和极端条件下的材料有希望实现突破；利用半导体中的超晶格生长技术，有可能实现人工结构的高温超导体；分子束外延在高温超导研究中的应用，为发现新的高温超导体和调控超导转变温度提供了非常好的机遇。讨论明确了高温超导体系中的问题和未来可以努力的方向。
二、超导材料电子态研究
与会专家以“概览铁基超导电性——以角分辨光电子能谱的视角”为题，深入讨论了铁基超导体研究的现状，指出决定铁基超导电性的因素是多方面的，这些经验规律只是在很多限定条件相似的体系里面适用；而长期被忽略的杂质散射效应其实特别重要，它具有轨道选择性，不同位置的杂质的影响也大不相同，对杂质效应的认识不足导致了人们过去的一些误解。指出通过比较两类铁基超导的差别和共性，费米面拓扑结构的作用可能是被过于夸大了，而更重要的可能是一定的电子关联，局域自旋涨落和局域配对的作用等。
与会专家还介绍了利用高分辨的角分辨光电子能谱在单层FeSe高温超导体上的研究进展；拓扑绝缘体是一种新型的量子物态，具有受时间反演对称性保护、无能隙的拓扑表面态；这些特殊的表面态与超导相互耦合，通过界面处的超导近邻效应，有可能在拓扑绝缘体中诱导出超导等工作都成为未来凝聚态物理的重要研究方向。
高温超导电子态不仅可以通过角分辨光电子能谱探测，也可以通过局域的扫描探针进行测量。讨论中薛其坤教授进一步阐述了他的观点，认为半导体和超导体的相互结合对两者的发展都会产生巨大的推动作用，高温超导将会给半导体电子学带来新的应用和机遇，而高度发展的半导体技术将会为高温超导的研究提供重要的推动作用。与会专家们对如何进一步提高FeSe体系的超导转变温度出谋划策，如利用FeSe/STO的超晶格和离子液体门电压技术等。
三、超导输运性质研究
输运性质测量一直在超导材料的探索和微观机理的研究中发挥着重要的作用，进而揭示很多其他实验手段无法获得的信息。与会专家介绍了他们近几年在超导材料输运研究方面比较有代表性的两类工作：第一类工作是利用外加电场对材料注入载流子，并同时进行原位的输运性质测量；第二类工作是利用超强脉冲磁场对超导体的超导态性质和正常态电子结构进行研究；并就两方面的工作进展、其对高温超导研究的启示以及存在的局限性做了较详细的阐述。
与会专家还介绍了氧化物高温超导体研究进展以及低维（薄膜）体系探索新超导材料的可行性和最新成果，评述了高通量组合薄膜技术在探索新超导材料方面的发展前景。与会专家还介绍了在碳酸锶衬底上通过分子束外延生长的方法成功制备了一个单胞层厚的FeSe超薄膜，仅有0.55nm厚，发现单层FeSe超薄膜的超导转变温度在40K以上。这是目前最薄的高温超导体。专家还着重讨论了具有节点的超导体，如纯的KFe2As2和空穴重掺杂的Ba1-xKxFe2As2，热输运的测量表面掺杂和不掺杂的样品都具有普适的热导，所有的证据表明KFe2As2是超导能隙具有节点的d波超导体。
讨论中与会专家提出了如何理解强磁场下高温超导体的输运问题，认为在高磁场下，超导材料中会出现新的序和费米面再构现象，磁阻测量实验对理解材料中的电子态和超导电性有重要的帮助。
四、超导机理研究
高温超导体的研究已经将近过去了30年，高温超导的机理依然是困扰物理科学家们的难题。与会专家回顾了传统超导体微观理论的发展过程，总结了超导体具有的重要特点，提出了当前高温超导体或者室温超导体要澄清的问题，如高温超导的机理，高温超导的配对对称性等；指出电声子相互耦合可以引起超导，自旋的涨落也是一个可能的候选；并提出寻找高温超导体的思路，需要寻找具有大交换耦合常数或者大的声子频率的材料，或者材料中有新的电子不稳定性，或者是材料中具有多个费米面等。
铜氧化物高温超导体和莫特绝缘体有着非常重要的联系。与会专家深入分析了铜氧化物高温超导体和铁基高温超导体之间的区别。通过对比，指出铜氧化物高温超导体和铁基超导体有着本质的区别，可能具有不同的物理机制。认为费米子的符号结构是朗道费米液体理论的重要基石。强的电子-电子相互作用会从根本上改变掺杂莫特绝缘体的符号结构。费米子符号结构的量子相干会系统地给出非费米液体和非BCS超导体的各种反常现象。
高转变温度的电声子耦合超导体也是当前凝聚态物理中研究的热点问题，与会专家认为计算机技术的高速发展，推动了计算物理的进步，对具体材料作定量计算已经成为可能；并预测了Li2B3C和Li3B4C2的超导温度将比MgB2的超导转变温度还要高；认为材料的计算将为寻找更高温度的超导体提供重要的依据和方向。
与会专家回顾了传统超导体的微观理论。对于最近发现的单层FeSe超导，通过功能化重整化群的办法，证明了单层FeSe超导转变温度界面增强的效应可能是电子-电子相互关联和软化声子耦合的综合效应。对理解低维的高温超导提供了新的思路。
讨论中与会专家对比了BCS超导理论的发现过程，认为高温超导体要回答的问题还不是非常的明确，如超导序的对称性问题等等。通过对比铜氧化物和铁基高温超导体，认为两者有非常大的差别，如铜氧化物超导体具有二维超导的涨落，相图变量主要是掺杂，而铁基超导体可以通过加压实现。探讨了单层FeSe超导的机理问题，认为界面的电声子相互作用以及电子-电子相互关联可能都起到关键的作用。与会专家对高温超导的机理问题也提出了自己的看法和意见。
五、会议总结与专家建议
会议深入探讨了高温超导领域重大科学前沿问题，首次系统地从实验发现、深入分析和物理机理等研究方面，讨论了低维高温超导体，以及它们可能存在的应用前景。与会专家们一致认为低维高温超导体的研究为解决高温超导体的问题提供了可能途径，现代化的材料制备手段、表征手段以及计算技术提供的重要信息等，为解决这些问题提供了重要的历史机遇。对以上问题，与会专家达成了以下几点共识:
（1）在过去的半个多世纪，半导体物理和超导物理各自都有巨大的发展。开展跨学科之间的交叉研究，将成熟的半导体物理的生长技术(MBE)和超导物理的研究方法和手段相互结合，已逐步形成了一个新的科学研究方向。这将极大地改善超导材料的制备条件，促进更高临界温度超导体系的发现和高温超导机理问题的解决。
（2）我国科学家成功生长出单层FeSe与SrTiO3衬底形成的高质量的异质结结构样品, 观察到比体相高四倍以上的超导转变温度，为界面增强的超导现象提供了明确的证据,为寻找更高超导转变温度的超导体提供了新思路。他们利用精确可控的材料生长技术, 精密的物理测量手段，新的电荷调控手段，为进一步提高材料的超导转变温度，揭示高温超导机理，提供了前所未有的机遇。
（3）单层FeSe/SrTiO3界面超导温度的增强物理机理仍然需要进一步深入的研究，衬底的电荷转移效应在其中起到了非常关键的作用，而声子与电子或电子之间的互相关联如何在其中发挥作用目前还没有一个清楚的认识。
（4）通过界面效应的调控实现超过液氮温度区的超导，乃至室温超导，在可预见的未来是可以实现的目标。目前，我们中国科学家已经走在了世界的前沿，迫切需要建立大型真空互联的科学平台装置,在全国范围展开联合攻关。为高温超导材料在电子学器件等方面的研究乃至发展超导电子学奠定基础。
文章来源：
http://www.meeting.edu.cn/meeting/subject/review!detailfp.action?id=2358
