原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 10 December 2019; 

online 23 December 2019

材料维度的改变可衍生出全新的电子行为。清华大学物理系李渭副教授和薛其坤院士等人在钛酸锶衬底上可控地生长了纳米尺度的铅岛，并用低温扫描隧道显微镜对其电子结构进行了表征。他们发现，尺度的改变导致铅岛电子相互作用发生显著变化。在电子间增强的库仑作用和铅岛-衬底耦合作用的协作下，纳米尺度铅岛的超导能隙显著增大，但没有伴随超导相变温度的提高。同时，电子间的库仑相互作用还随着铅岛尺寸的减小而增大，具体表现为在施加高磁场抑制超导后，尺寸较小的铅岛上可观察到位于费米能级附近的库仑能隙。进一步减小岛的尺寸，体系进入库伦阻塞区域。该工作系统地揭示了常规超导体在纳米尺度下的量子行为。

纳米尺寸下的材料体系会产生新奇的量子特性，是近年来凝聚态物理的研究热点。在纳米尺度的弱耦合超导体（铝、铟、锡等）中，人们普遍观测到超导相变温度的提高。然而，在铅等强耦合超导体中，超导增强却意外的难以实现。近年来，在钛酸锶衬底上单层硒化铁的超导增强，预示着超导-氧化物界面的电声耦合可对超导配对提供额外的帮助。比如，将纳米尺寸的铅岛制备到钛酸锶上将有望实现其超导增强。然而，材料维度的降低，还伴随着电子间库仑相互作用的增强。这两种作用将共同影响体系的电子行为。

近日，清华大学物理系李渭、薛其坤研究团队利用分子束外延生长技术，在钛酸锶衬底上成功制备了纳米尺度的铅岛，并利用低温扫描隧道显微镜对其进行了形貌及电子学性质的表征。这些铅岛的电子学行为与其尺寸有着很大的关系，并可分成三类。如图1所示，尺寸最大的A类铅岛通常表现出和体相铅相似的超导电性，其超导能隙和体相铅相同，为1.36 meV。在中等尺寸的B类铅岛中（面积大于10³ nm²且小于10⁵ nm²），超导能隙发生了显著的增大；然而变温实验的结果表明，这些铅岛的超导相变温度相对于体相铅的值（7.2 K）并没有提高。相应的，表征超导体耦合强度的常数2Δ/kBTc有了显著的提高，这是铅岛的尺寸效应和衬底界面共同作用所导致的。而在最小尺寸的C类铅岛中，尺寸效应导致的岛内电子间相互作用占据了主导，从而在隧穿电导谱上表现出库仑阻塞的特征。

图1. 生长在钛酸锶衬底上三类铅岛的形貌及对应的隧穿电导谱。

图2. 高磁场下的库仑能隙与铅岛尺寸的关系。

铅岛尺寸对电子间相互作用的影响得到系统的研究。在给样品施加高磁场完全抑制掉超导后，在隧道谱的费米能级处会剩余一个不随磁场响应的“V”型能隙（图2），这个能隙是由电子间相互作用导致的库仑能隙。不仅如此，随着岛尺寸的减小和维度的降低，铅岛内电子间相互作用会逐渐增强。如图2(b)所示，在实验中观测到了铅岛的库仑能隙随着岛尺寸变小而增大的现象。

本文揭示了低维小尺度超导体新奇的量子特性。衬底和库仑相互作用的共同影响使得铅岛在超导态和正常态的量子行为均产生了转变。超导能隙的变大与超导相变温度不变，意味着小尺度铅岛内的耦合作用被增强。这一发现为纳米尺度超导材料的研究提供了宝贵信息：当将金属制备到纳米尺度，特别是与氧化物发生近邻时，其超导电性、电子间相互作用及衬底的耦合作用都将很大程度影响到其量子行为。

本文第一作者是清华大学物理系博士生袁永浩，通讯作者是李渭副教授和薛其坤院士，合作者还有清华大学高等研究院的姚宏教授。该项工作是清华大学低维量子物理国家重点实验室最新研究成果。该工作得到了国家自然科学基金、科技部、北京未来芯片技术高精尖创新中心、量子信息前沿科学中心等经费的支持。

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