【研究成果】超導鉛上鍍金膜產生金-鉛烯超結構  提升超導性與Rashba效應

撰稿  /  張鳳吟 (科學推展中心特約編輯)

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塊材鉛(bulk Pb)是一種傳統超導體，超導臨界溫度(T_c)約為7 K。傳統上，若超導材料鍍了一層超導溫度低的一般材料，金屬或半金屬，超導體表面的臨界溫度會降低，而一般材料在介觀距離會觀察到弱超導性，這效應又稱為鄰近效應(proximity effect)或 Holm–Meissner效應。

國立清華大學物理系唐述中教授及國立陽明交通大學電子物理系林俊良教授進行合作實驗，證明在塊材鉛表面鍍一層金，其表面超導溫度反而可以提升至7.4 K，打破過去六、七十年來人們對傳統超導鄰近效應的認知，代而由新的表面二維結構產生提高的超導。同時，由於鉛與金都屬於高原子量的元素，更觸發了強大的電子自旋軌道耦合，形成同時擁有自旋電子學功能與超導特性兩大重要物理性質的二維材料。透過結合角解析光電子能譜術與密度泛函理論，團隊證明塊材鉛的表面實際上形成了全世界二維材料科學家都夢寐以求的蜂巢狀鉛烯(plumbene)，並揭露了主要是電子-聲子耦合提升了超導性。

鉛薄膜的超導溫度約6 K，T_c隨著薄膜厚度變化，然而，當鉛薄膜的厚度減小至單層原子時，超導溫度快速下降至2 K以下，限制了它的應用發展。鉛烯具有與傳統單層鉛不同的蜂巢狀原子排列形式，有提升超導溫度的潛力。自2004年石墨烯的發現開啟全新的二維材料研究領域後，科學家便嘗試使用不同的元素來形成新的新奇蜂巢狀二維材料，如以14族元素製做的矽烯、鍺烯、錫烯與鉛烯，但這些二維材料與石墨烯不同，它們原子的排列不在平面上，而是形成一個具皺形(buckled，見圖1)的蜂巢結構。鉛烯是已有法國及日本的研究團隊分別在鈀(111)與鐵/銥(111)的表面上成長，但是沒有發現到任何新奇的性質。唐教授團隊採取一種創新的方法，就是直接鍍金原子在FCC塊材鉛(111)面上，利用金原子與鉛原子形成合金層時，在六角形鉛(111)面晶格上，取代每√3晶格周期的鉛原子，而形成蜂巢狀的鉛烯結構，只是每個蜂巢單位的中空部分，塞入了一個金原子。所以唐述中所開發的鉛烯，叫做金-鉛烯。又因多餘的金原子在金-鉛烯上形成覆蓋的籠目(Kagome)層，與金-鉛烯下方的塊材鉛上下一起作用，使得金-鉛烯晶格產生皺摺，而這皺摺與金-鉛烯提升的超導有關，並隨著金與鉛的高原子量，相關的自旋軌道耦合引發多種新奇的特性。唐述中與合作者林俊良兩位台灣本土教授之前在鍺烯與矽烯上的研究已獲得國際二維材料學界的重大肯定，在此次研究中，團隊從無到有，以超導材料鉛為基板成長出世界上第一個擁用雙新奇性質的二維蜂巢狀材料「金–鉛烯」，其優異的研究成果發表在頂尖期刊《先進科學》(Advanced Science，IF：17.521)[1]上。

圖1為團隊所備製的材料，在超高真空的環境下，金原子蒸發至鉛(111)基板表面形成金鉛合金(Pb₂Au)超結構，鉛原子形成低皺形的鉛烯，金原子位於蜂巢中心，而上方覆蓋一層形成籠目結構的金原子層。圖中藍球與黃球分別代表金-鉛烯的鉛原子與金原子，粉紅球代表最上層的金原子，而灰球為塊材鉛(111)基板。

利用溫度變化的掃描穿隧頻譜術 (scanning tunneling spectroscopy)，團隊調查材料在不同溫度下的超導能隙(superconducting gap)，結果顯示如圖2：鉛(111)的超導能隙(黑線)在高於T=6.9 K的時候消失，表示鉛的T_c為6.9 K，紅線、藍線代表Pb₂Au超結構在STM影像下的亮點與暗區，T_c分別為7.1 K與7.4 K，皆高於鉛(111)的臨界溫度。值得注意的是，Pb₂Au能隙大小大於超導體BCS理論的預測，也與塊材鉛不同，暗示2維Pb₂Au超結構中隱含強大的耦合機制。

圖3為Pb₂Au超結構電子能帶圖的理論計算(a圖)與實驗量測(b、c圖)結果，紅線與藍線代表相反的平面自旋方向，顯示 Rashba能帶分裂，起因為二維材料的對稱破缺與自旋-軌道耦合。Rashba效應可削減Cooper對的破壞參數，故能支持超導性。團隊用第一原理計算單層皺形的鉛烯之電子-聲子耦合強度，其所導出的金-烯鉛超導溫度在穩定狀態時達到4.7 K，證明電子-聲子耦合與超導溫度的提升有關。

唐述中教授表示，這項研究完全是團隊從無到有的原創研究成果，他們堅信表面有提升的超導，儘管依照一般的理解，一個三維的超導體其表面上鍍一層其它原子的薄膜，一定讓表面的超導降低許多，這也是為什麼2015年就發現這長在三維塊材鉛上的鉛金合金薄膜很特殊，但直到2023年才發表出它有提升超導的成果。唐教授認為任何事都有機會，並希望這項研究成果能鼓勵台灣學術界勇於逆其道而行的研究方向，雖然失敗風險甚大，但這也是會有突破性與重大發現的契機。