最近，國際物理學權威期刊Physical Review Letters以“Diamagnetic response of potassium-adsorbed multilayer FeSe film”為題發表了上海交通大學物理與天文學院劉燦華教授與賈金鋒教授研究組在超導薄膜研究方面的最新成果。他們利用自行研製的多功能掃描隧道顯微鏡（STM+），成功地測量到了雙分子層厚度的FeSe薄膜表面吸附鉀原子之後的抗磁響應，觀察到了鉀原子吸附量對該薄膜超導特性的調控作用，並獲得了各種超導參數（超導能隙、超導轉變溫度和超流密度等）在調控作用下的變化，從而揭示了相剛度而非配對勢是決定FeSe超導層的超導轉變溫度的主要因素。這一研究成果清楚的回答了非常規超導研究領域的一個長期以來存在的問題：超導轉變溫度的決定性因素是什麼？這對進一步深入理解非常規超導機理具有重要意義。該論文已於12月20日在線發表【Phys. Rev. Lett. 123, 257001 (2019）】。
超導研究領域的兩大動力，一個是找到轉變溫度（Tc）更高的超導材料，一個是理解非常規超導機理。事實上，兩大類的非常規超導體，銅基和鐵基超導體，都是層狀材料，其超導層CuO、FeAs或者FeSe層，受到了鄰近層的電荷摻雜之後才具有了高溫超導特性。因而，近年來就有很多工作希望直接對這些超導層進行電荷摻雜和研究，這其中尤以對FeSe層的研究最具代表性。在合適的襯底上利用分子束外延法生長出單層或多層的FeSe薄膜是最近研究的熱點。國內外有多個課題組的近期工作發現，在這樣的FeSe薄膜表面，吸附上適量的K原子，可以改變FeSe薄膜的超導能隙的大小。這是因為K原子的電負性非常小，很容易轉移一部分電子給FeSe薄膜（如圖a所示），因此，控制K原子的吸附量，即是控制了FeSe薄膜所能獲取的電子數量，從而有望達到對FeSe超導特性的調控。
不過，僅僅是確定了能隙大小的改變對於超導的研究是不夠的。對一個材料具有超導特性的判斷依據是要測量到它的零電阻和/或邁斯納效應（完全抗磁性）。然而，對於表面吸附了K原子的FeSe薄膜而言，這種物性測量是很困難的。其原因在於K原子具有非常強的化學活性，使得該薄膜樣品無法脫離超高真空環境，也就無法接受傳統實驗技術手段的物性測量。而這正是劉燦華教授與賈金鋒教授課題組近年來研發的多功能掃描隧道顯微鏡（STM+）大顯身手的地方。他們將普通的STM的核心部件進行改造，使其具有普通STM的一切基本功能之外，還能對樣品進行四探針電輸運和雙線圈交流互感的原位測量。換句話說，若是對超導樣品進行測量，普通STM只能獲得樣品的原子排列（如圖b所示，每個亮點就是一個K原子）和超導能隙等結構方面的信息，而STM+還能測到樣品的電輸運和抗磁響應等物理性質，從而獲得超導轉變溫度、穿透深度和超流密度等重要信息。
實驗中，他們對同一塊高質量的雙層FeSe薄膜樣品表面進行了不同覆蓋度K原子的吸附，並對每個K覆蓋度下的FeSe薄膜採集了上述多種實驗數據，從而得到了一系列實驗結果：1，超導轉變溫度隨著K原子覆蓋量的增加呈現先升後降的Dome型變化（圖c），這雖然與眾多非常規超導材料很相似，但卻是在FeSe衍生超導材料當中首次觀察到如此完整而連續的相變行為；2，超導能隙與超導轉變溫度的比值隨著K覆蓋度的增加並不是一個恆定的值（圖d），這意味著超導配對勢無法決定超導轉變溫度的高低；3，超導轉變溫度與超流密度呈現線性的變化關係（圖e），這意味著相剛度是決定轉變溫度高低的主要因素。
這項工作由博士生姚鋼、段明超、劉寧寧和吳豔伏等同學在劉燦華和賈金鋒等教授的指導下共同合作完成。劉燦華教授特別感謝李政道研究所顧威教授在該工作過程中給予的有益討論。該工作受到了科技部重點研發計劃，基金委多個項目，中科院前沿科學重點研究計劃和戰略性先導科技專項的支持。
論文連接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.257001
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