東京工業大學理學院物理可用能學系的一之倉聖助教和平原徹副教授，以及物質理工學院應用化學系的清水亮太副教授和一杉太郎教授等人組成的研究團隊，透過在超高真空（用語2）中直接測量電導率，檢測出了單層硒化鐵（FeSe，用語1）薄膜的高溫超導性。
研究團隊在抑制基底層傳導性的同時，在原子水平上使表面變平坦，並在超高真空中形成單層FeSe膜。然後確定了在超高真空環境下基底層絕緣性保持良好的區域，使4個獨立驅動的探針接觸，測量了低溫電導性。結果顯示，電流僅在薄膜中流動，而且在40克耳文（-233°C）時表現出明顯的超導轉變。
從產生強磁場（磁懸浮列車、MRI等）到量子計算，超導體有望廣泛應用於各個領域，業界一直在探索高溫轉變的超導體。在氧化物基底層上形成FeSe單層超薄膜時，隨着基底層供應電子，會表現出高溫超導性，但此前報告的超導轉變溫度不盡相同，還沒有達成統一的觀點。
●研究背景
很多金屬在冷卻到一定溫度以下後，會出現電阻變爲零的超導現象。轉變溫度一般是接近絕對零度（0克耳文，-273°C）的極低溫度，但被稱爲高溫超導體的物質在70克耳文（-203°C）以上的相對較高溫度下就會發生超導現象。這個溫度利用液氮等便宜的冷凍劑即可達到，因此作爲創新型高功能材料備受期待。
高溫超導體分爲銅氧化物基和鐵基兩大類，均爲層狀晶體結構。以前，這些材料一直作爲塊狀單晶製作，但近年來，隨着超高真空環境下的薄膜成長技術取得進步，已經可以在半導體基底層上大面積製作超導薄膜。
普通的超導體製成薄膜後，轉變溫度會降低。但令人驚訝的是，2012年有研究團隊報告，在鈦酸鍶（SrTiO3）基底層上製作鐵基超導體之一的硒化鐵（圖1）時，如果製成最薄的單層厚度（Se-Fe-Se＝硒-鐵-硒3層），可以在比塊體的8克耳文（-265°C）超導轉變溫度高30°C以上的高溫下實施超導。
圖1：硒化鐵薄膜的晶體結構模式圖。研究認爲，在硒化鐵與基底層的界面附近，電子的行程形成了高溫超導。
這種原子層薄膜在裸露狀態下從超高真空裝置中拿到空氣中的話立即就會劣化，因此主要透過以下兩種方式進行了研究，即在超高真空中直接調查表面電子狀態的電子光譜法，以及在上面蓋一層保存膜後再拿到空氣中調查電流性質的電導測量法。
2015年，中國的研究團隊報告了109克耳文（-164°C）的高溫超導。這是一項困難的實驗，未使用保存膜，而是在超高真空和低溫環境下測量電導，但之後一直沒有新的後續測試報告。另外，該實驗還同時檢測出了流過SrTiO3基底層的電流，因此常導狀態下的電阻較低，未能清楚觀測到原子層厚度的薄膜表現出的超導轉變特徵。可以說，關於SrTiO3基底層上的單層FeSe的超導轉變溫度，8年來始終沒有達成統一的認知。
●研究成果
東京工業大學的研究團隊設定以下3個條件，研究了SrTiO3基底層上的FeSe薄膜。
（1）FeSe成膜前在超高真空中以原子水平使基底層表面平坦化。
（2）在超高真空中（原位）測量形成的FeSe薄膜的電導。
（3）改變FeSe薄膜的厚度，檢驗超導特性對膜厚的依賴性。
上述（1）和（2）是相反的要求。該研究採用絕緣的SrTiO3基底層，但實施平坦化的熱處理後會出現氧空艙，導致基底層具備傳導性。因此，本研究將氧空艙集中到基底層的一端，利用圖2a中的「獨立驅動4探針電導量測裝置」，選擇沒有氧空艙、確保了絕緣性的區域測量了電導（圖2b）。
圖2：（a）獨立驅動4探針電阻量測裝置的照片。4根探針可以分別獨立驅動。（b）實際進行電導測量中的樣本及探針的等比增大圖。基底層上左側的黑色部分聚集了氧空艙，是具備傳導性的區域。因此，利用獨立驅動機構在右側區域進行了測量。該照片中使兩根探針接觸樣本，可以清楚看到頂端的金線。
研究團隊首先在常導狀態下改變探針之間的距離進行了測量，應答此次實驗中電流沒有流過基底層。然後用液氦冷卻了裝置。此時，透過使用金作爲探針頂端的材料，減輕了探針與樣本的接觸因熱收縮而變化的影響。結果如圖3所示，在40克耳文（-23°C）的溫度下，明確觀測到電阻驟減，即發生了超導轉變。
圖3：硒化鐵超薄膜（厚度：單層、3層、5層）的電阻溫度依賴性。在40克耳文的溫度下，電阻急劇變化，表明發生了超導。另外還發現，這個轉變溫度在5層以内的膜厚下均沒有變化。
據中國的研究團隊2015年報告，由於同時檢測到了基底層的傳導，超導轉變引起的電阻變化較小，但這一結果的複製性存疑。此次研究觀測到了高達2千歐的明顯電阻變化，這是透過充分抑制氧空艙的影響，並消除基底層的影響而實施的更明確的超導轉變證據。另外，增加FeSe薄膜的厚度發現，膜厚爲3層和5層時，也觀測到了轉變溫度爲40克耳文左右的超導性。如圖1所示，不因厚度而變化的恆定轉變溫度證明高溫超導發生在FeSe與SrTiO3基底層的界面，而不是FeSe本身。
此次的轉變溫度僅40克耳文，但爲此前關於超導轉變溫度不盡相同的討論提高了重要的知識。綜合來看先行研究和本次研究的結果發現，與量測方法和有無保存膜相比，轉變溫度更傾向於隨着基底層的傳導性而變化。研究表明，傳導性基底層透過雜質摻雜向基底層整體供應電子，但這些電子積聚在界面，可能有助於轉變溫度的升高。
【用語解說】
（1）硒化鐵（FeSe）：東京工業大學的細野秀雄榮譽教授的研究團隊2008年發現的鐵基超導體中晶體結構最簡單的物質，被認爲有助於查清高溫超導的起源。
（2）超高真空：充滿低於正常大氣壓力的低氣壓氣體的空間狀態。真空得到了廣泛應用，比如暖水瓶的隔熱等，本次研究使用的超高真空狀態氣統體密度非常小，與太空差不多。
論文資訊
題目：Interfacial Superconductivity in FeSe UltrathinFilmsonSrTiO3Probed by in situ Independently-Driven Four-Point-ProbeMeasurements
期刊：《Physical Review Letters》
DOI：10.1103/PhysRevLett.124.227002
文：JST客觀日本編輯部
