最年轻的国家最高科学技术奖得主！薛其坤院士，部分成果精选！

薛其坤，中共党员，理学博士，清华大学/南方科技大学教授，中国科学院院士。国际著名实验物理学家，荣获2023年度国家最高科学技术奖、国际凝聚态物理领域最高奖巴克利奖。曾获国家自然科学一等奖1项，获国家自然科学二等奖2项，获第三世界科学院物理奖、陈嘉庚科学奖、国家特支计划杰出人才、求是杰出科学家奖、何梁何利科学与技术成就奖、未来科学大奖－物质科学奖、（首届）全国创新争先奖章、菲列兹·伦敦纪念奖、北京市突出贡献中关村奖和复旦-中植科学奖等奖励与荣誉。2005年5月到清华大学物理系工作，历任物理系副主任、理学院院长、物理系主任；2011年至2016年任清华大学低维量子物理国家重点实验室主任；2013年3月至2013年5月任清华大学校长助理、科研院院长；2013年5月至2020年11月任清华大学党委常委、副校长；2017年12月任北京量子信息科学研究院院长；2020年11月，任南方科技大学党委副书记、校长。

课题组网页：http://www.stmbe.tsinghua.edu.cn/#/index.

主要研究方向：扫描隧道显微学、分子束外延、拓扑绝缘量子态和高温超导电性等。2005年11月当选为中国科学院院士；2017年起任北京量子信息科学研究院院长。目前为中国物理学会副理事长、美国物理学会会士，是国际著名期刊Surface Science Reports、Nano Letters、Applied Physics Letters、Journal of Applied Physics和 AIP Advances等的编委，National Science Review副主编和Surface Review & Letters主编。

1. ACS Nano：SrTiO₃(001)上氧空位诱导的单向电荷顺序

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c03317. 

在多种SrTiO₃基异质结构中，研究人员发现了高迁移率的二维（2D）电子气体和低载流子密度的超导性，激发了人们对SrTiO₃表面性质的浓厚兴趣。近年来，在单层FeSe/SrTiO₃中发现的高-T_c超导性引起了人们的关注，并强调了表面结构的原子精度探测。基于此，清华大学/南方科技大学薛其坤院士等人报道了通过对双-TiO_2-δ-端SrTiO₃(001)表面（√13×√13）、c(4×2)、混合(2×1)和(2×2)重构进行原子分辨低温扫描隧道显微镜/光谱表征，发现了普遍的旋转对称性破缺，并对比了顶端和中间氧位点的偏压和温度依赖电子态。

图1-1. SrTiO₃(001)-(√13×√13)表面的LHe-温度表征。

随着表面重构的先后进行和中间氧空位的增加，表面各向异性降低，功函数降低。有趣的是，c(4×2)表面出现了单向条形顺序，而局部(4×4)顺序出现并最终在(2×2)表面形成了远距离单向c(4×4)电荷顺序。本工作揭示了在旋转对称性破坏下，由于强而微妙的电子-晶格相互作用，氧空位诱导的强大的单向电荷顺序，为理解钙钛矿氧化物基异质结构的复杂行为提供了见解。

图1-2. SrTiO₃(001)-c(4×2)、-(2×1)、-(2×2)和-(2×2) + c(4×4)表面的LN-温度表征

2. Nat. Commun.：超薄缺掺杂Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+x超导体的涡熵和超导涨落

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-48899-6.

超导体中的涡旋有助于识别紧急现象，但涡旋的某些基本方面，如它们的熵，仍然知之甚少。基于此，清华大学张定副教授和清华大学/南方科技大学薛其坤院士等人报道了通过测量Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+x（BSCCO）的磁电阻率和能量效应，研究了缺掺杂BSCCO的涡旋熵。作者从不同掺杂水平样品的磁传输测量中提取了伦敦穿透深度。结果表明，超流体相刚度ρ_s与超导转变温度T_c呈线性关系，直至掺杂极低的情况。

图2-1.超薄BSCCO的制备与表征

在二维（2D）极限下研究样品，使得作者能够定量地提取London穿透深度。通过将同一批样品的磁电阻和能斯特效应数据相结合，得到了从最优掺杂（OP）到EUD状态下的涡片熵。值得注意的是，随着掺杂量的减少，呈指数依赖性。此外，在EUD情况下，上面突出的能斯特信号扩展到大约40 K的有限范围。所得数据可以进一步与高斯超导涨落理论进行比较。总之，本工作为解决2D超导体中的涡流动力学和超导波动开辟了进一步的机会。

图2-2.不同掺杂水平超薄BSCCO中的电阻率信号

3. Nat. Commun.：单晶胞FeSe薄膜中的电子不均匀性和相位波动

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47350-0.

在SrTiO₃衬底上的单晶胞FeSe薄膜，由于在±10 meV和±20 meV处有两个相干峰，其配对间隙显著扩大，因此科研人员引起了极大的兴趣。其中，原位传输测量是揭示新特性的必要条件。基于此，清华大学/南方科技大学薛其坤院士、清华大学王立莉副研究员等人报道了对具有双边界的连续单晶胞FeSe薄膜进行了原位微尺度电传输和联合扫描隧道显微镜测量。

图3-1. 1 UC FeSe/SrTiO₃(001)的STM表征

作者在畴和边界上观察到两个空间上共存的超导相，具有明显的超导间隙（△₁~15 meV vs. △₂~10 meV）和配对温度（T_p1~52.0 K vs. T_p2~37.3 K），相应的两步非线性V~I^α行为，但在T_BKT~28.7 K处同时发生Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）样转变。起始转变温度~54 K和零电阻率温度~31 K，分别与T_p1和T_BKT一致。结果表明，FeSe/SrTiO₃中展宽的超导跃迁与2D超导的明显双间隙特征和相起伏所导致的本征电子非均匀性有关。

图3-2. FeSe/SrTiO₃的厚度变化和电子不均匀性

4. Nat. Commun.：从拓扑边态识别单层FeSe中的S-波配对对称性

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40931-5.

确定SrTiO₃上单层FeSe的配对对称性是理解增强配对机制的关键，其还指导寻找具有高转变温度的超导体。尽管科研人员进行了大量的研究，但这种对称是保持符号的S-波还是改变符号的S_±-波仍然存在争议。基于此，清华大学/南方科技大学薛其坤院士、清华大学王立莉副研究员等人报道了从拓扑学的角度研究了单层FeSe的配对对称性。利用低温扫描隧道显微镜/光谱技术，系统地表征了单层FeSe边缘和角落的超导态。

图4-1.单层FeSe的边和角模型

作者利用分子束外延技术制备了高质量的单层FeSe，并利用STM/S技术研究了不同边缘和角落的电子结构。作者既没有在（01）边缘观察到无间隙边缘模式，也没有在（11）边缘检测到ZBCP，其中拓扑平凡超导态是单层FeSe保持S波对对称性的有力证据。该成果也为确定其他铁基超导体的配对对称性铺平了有希望的道路。需指出的是，如果材料具有长程磁序，本方法的适用性可能会受到影响。然而，目前还没有确凿的证据表明单层FeSe中存在长程磁序。

图4-2.单层FeSe（11）边缘的电子态

5. Nat. Commun.：Bi-2201单铜氧化物扭曲平面间的显著Josephson隧穿

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40525-1.

扭曲铜（Cu）酸盐结中的Josephson隧穿为配对对称性提供了试金石，这是理解高温超导微观机制的基础。范德华叠加的实验进展和紧急d+id波的提出重新点燃了这个问题。目前，所有的实验都是在双CuO₂平面的Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+x（Bi-2212）上进行的，但结果存在争议。基于此，清华大学/南方科技大学薛其坤院士和清华大学张定副教授等人报道了Bi₂Sr_2-xLa_xCuO_6+y（Bi-2201）与单个CuO₂平面的连接，利用原位冷堆技术确保了不受影响的晶体质量和界面的化学计量。

图5-1. Bi-2201的扭曲Josephson结

作者制造了多个扭曲的Bi-2201结，其扭曲角度校准为接近45°。通过原子解析结构分析和低温传输研究，证明了它们的原子平面界面和不妥协的化学计量学。所有这些结都表现出明显的约瑟夫森隧穿，表明与预期的d波配对行为有系统的偏差。作者进一步揭示了其中一个结的常规和标准弗劳恩霍夫模式，校准的扭转角为45.0±0.2°。温度函数中频率加倍的缺失，加上整数菲斯克步长，强烈地反对了次显性库珀对共隧穿分量的存在——这是d+id波配对的关键成分。本研究证实了45°扭转Cu双分子层中存在明显的各向同性配对成分。

图5-2.扭曲结的传输性能表征

6. Natl. Sci. Rev.：金属δ-掺杂显著增强SrTiO₃(001)单层FeSe薄膜的超导电性

原位链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwad213.

超导转变温度（T_c）是标志着费米子系统中宏观量子相参对态的开始。对于二维（2D）超导，配对电子在T_c处凝聚成相干超流态，T_c通常低于配对温度，在T_c之间的本征物理包括Berezinskii-Kosterlitz-Thouless跃迁和赝隙态引起了激烈的争论。对于SrTiO₃(001)上的单层FeSe超导膜，尽管通过光谱表征揭示了配对温度（T_p）为65-83 K，但测量的零电阻温度限制在20 K。基于此，清华大学/南方科技大学薛其坤院士、清华大学王立莉副研究员等人报道了在沉积FeSe单层之前，在STO(001)衬底上进行了Eu或Al原子的δ掺杂。传输测量结果表明，δ-掺杂STO上生长的单层FeSe薄膜的超导性得到了显著提高，温度为27 K，转变宽度为8 K，这是单层FeSe在非原位输运下的最高和急剧转变。

图6-1. Eu-掺杂/未掺杂SrTiO₃(001)衬底上单层FeSe膜的传输测量。

利用液氦温度（~4.5 K）扫描隧道显微镜和光谱（STM/STS），作者研究了Eu掺杂和非掺杂Nb: STO(001)表面和事后沉积的单层FeSe薄膜的形貌和电子特性。Eu掺杂导致Nb: STO(001)表面氧空位（O_v）增大，功函数减小，导带最小值（CBM）降低，电子变化减小。在这种Eu-Nb: STO(001)上的单层FeSe薄膜表现出普遍扩大的超导间隙，表明cooper配对增强，电子均匀性提高。同时，单层FeSe中Fe空位的线缺陷显著减少并破碎成碎片，抑制了孤立畴的形成，提高了空间均匀性。作者认为，这些因素导致了在传输测量中观察到的变窄转变。

图6-2. Eu-掺杂/未掺杂Nb: SrTiO₃(001)表面的原子尺度形貌和电子结构

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