PPMS稀釋制冷機(jī)選件· 提供便的低溫解決方案

自1911年4月，H. K. Onnes在低溫下發(fā)現(xiàn)汞的超導(dǎo)電性以來已有整整110年，超導(dǎo)和低溫物理以其*的魅力吸引著無數(shù)研究者前赴后繼。溫度是基本的物理量之，溫度越低越便于發(fā)現(xiàn)和觀察豐富的量子力學(xué)現(xiàn)象。對低溫的追求推動著低溫制冷技術(shù)在過去的百年里不斷發(fā)展，當(dāng)今，科研工作者已經(jīng)可以非常便捷地使用商用化的稀釋制冷機(jī)實(shí)現(xiàn)mK超低溫環(huán)境，因而也發(fā)現(xiàn)了眾多前所未見的本征物理現(xiàn)象，量子相變（QPT）就是其中之。

量子相變是指對零度下系統(tǒng)所處的量子基態(tài)性質(zhì)隨外界參數(shù)變化而發(fā)生的相變。20世紀(jì)80年代在二維超導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)的磁場或載流子密度調(diào)制的超導(dǎo)-緣體相變（SIT）和超導(dǎo)-金屬相變（SMT）是量子相變的典型范例。嚴(yán)格意義上講，量子相變是在對零度下發(fā)生的相變，其量子臨界漲落會影響到有限溫區(qū)的物理性質(zhì)，使得很多殊的物理性質(zhì)出現(xiàn)在量子臨界點(diǎn)（QCPs）附近。

近期由中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所狄增峰研究員、謝曉明研究員、胡濤研究員等與北大王健研究員合作，在人工二維超導(dǎo)體系中觀測到種具有量子格里菲斯奇異性（Quantum Griffiths Singularity）的殊超導(dǎo)-金屬量子相變。該篇工作發(fā)表在Advance Science期刊上[1]。

在該工作中，單晶石墨烯通過化學(xué)氣相沉積到金屬鍺Ge(110)表面形成導(dǎo)電襯底，掩膜完成電制作后用電子束蒸發(fā)法將20 nm厚的鉛（Pb）沉積到單晶石墨烯上。由于兩者浸潤性差，因而沉積的Pb容易形成隨機(jī)不規(guī)則分布的、不連貫的納米島，透射電鏡和掃描電鏡結(jié)果都驗(yàn)證了Pb納米島的構(gòu)型，且單個Pb納米島內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)整齊無明顯晶界。

在10K以下，Ge(110)基底為緣體，而表面覆蓋的單晶石墨烯提供了理想的二維電子氣平臺，使得超導(dǎo)Pb納米島之間建立二維耦合。類似基本約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)-金屬-超導(dǎo)體系，Pb納米島/單晶石墨烯片層同樣構(gòu)成了約瑟夫森結(jié)陣列。從上圖片層電阻隨溫度的演變曲線可以觀測到明顯的兩階段超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，分別對應(yīng)Pb納米島的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變（Region II），以及更低溫的約瑟夫森耦合效應(yīng)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變（Region III）。

通過對60mK~3.9K溫度區(qū)間輸運(yùn)數(shù)據(jù)的細(xì)致采集和仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)該P(yáng)b納米島/單晶石墨烯片層在超導(dǎo)-金屬相變量子臨界點(diǎn)附近的輸運(yùn)性質(zhì)異常，表現(xiàn)為超導(dǎo)-金屬相變臨界參量隨溫度連續(xù)變化，形成條臨界線，在逼近量子臨界點(diǎn)，臨界磁場與WHH理論模擬值（上圖c中虛線）存著顯著差異，同時臨界指數(shù)趨于量子臨界磁場時發(fā)散，而不是通常認(rèn)知的固定值，這正是量子格里菲斯奇異性的表現(xiàn)。在傳統(tǒng)相變中，在逼近臨界點(diǎn)時，各臨界指數(shù)趨于常量，而格里菲斯奇異性的存在，導(dǎo)致各臨界指數(shù)不再保持為常數(shù)，而呈現(xiàn)發(fā)散趨勢。

格里菲斯奇異性來源于系統(tǒng)的無序或漲落在臨界點(diǎn)附近對系統(tǒng)的相變行為產(chǎn)生的非平庸影響。在系統(tǒng)從無序相到有序相的轉(zhuǎn)變中，較強(qiáng)的隨機(jī)無序或漲落導(dǎo)致系統(tǒng)還未到達(dá)臨界點(diǎn)時就以定概率出現(xiàn)趨近熱力學(xué)限尺度的有序相。這些大塊連通的有序區(qū)域使得系統(tǒng)的熱力學(xué)勢達(dá)到相變點(diǎn)以前就已出現(xiàn)奇異行為，從而導(dǎo)致系統(tǒng)各臨界指數(shù)在臨界點(diǎn)處呈現(xiàn)發(fā)散趨勢[2]。

早在低維超導(dǎo)體系中發(fā)現(xiàn)和證實(shí)量子格里菲斯奇異性的存在是由北京大學(xué)王健研究組與謝心澄院士、林熙研究員、王垡研究員、馬旭村研究員、薛其坤院士等人合作完成，在三個原子層厚（小于1納米厚）的鎵（Ga）薄膜中發(fā)現(xiàn)了二維超導(dǎo)-金屬相變具有格里菲斯奇異性，該工作發(fā)表在Science上[3]。此后王健研究組與謝心澄院士、林熙研究員和北京師范大學(xué)劉海文研究員等人合作在超薄晶態(tài)鉛膜中發(fā)現(xiàn)了反常量子格里菲斯奇異性的存在，該工作發(fā)表在Nature Communication上[4]。

量子相變的細(xì)致研究與低溫制冷技術(shù)的發(fā)展密不可分，前文提到的多篇工作的mK溫區(qū)數(shù)據(jù)均采用了Quantum Design的綜合物性測量系統(tǒng)的稀釋制冷機(jī)選件(DR)。該選件可以實(shí)現(xiàn)樣品處下至50mK的低溫環(huán)境，大的拓展了PPMS系統(tǒng)的研究范疇。

DR選件簡單易用，與PPMS平臺無縫連接，并與PPMS平臺的測量應(yīng)用軟件*兼容。DR選件出廠時已經(jīng)密封了He3和He4的混合氣體，運(yùn)行時只需將樣品安裝到樣品臺，再將DR選件插桿插入樣品腔，控制程序自動降溫到50mK，不需要額外的操作。

與此同時，DR選件又是*立的，所有組件都被整合到個推車上，在不使用DR選件時能夠簡易從樣品腔取出安置和收納，*不影響系統(tǒng)其他測試選件的使用。

簡單易用和*閉循環(huán)的設(shè)計(jì)使PPMS系統(tǒng)的DR選件成為實(shí)驗(yàn)室mk低溫獲得的有效工具，不僅如此，多樣化的兼容選件可直接實(shí)現(xiàn)低溫下的各種測量功能，包括直流電阻測量，高電輸運(yùn)ETO測量，比熱HC測量以及交流磁化率AC測量。相對于常規(guī)商用低溫測量設(shè)備而言，PPMS系統(tǒng)及其低溫組件有著較低的學(xué)習(xí)門檻，易于上手。即便是初次接觸低溫實(shí)驗(yàn)的用戶也能在較短時間內(nèi)掌握使用技巧。

讓個新手能夠很快的掌握測量技術(shù)，使大家有更多的精力和注意力集中在科學(xué)問題上，而不是技術(shù)手段上，這是對科學(xué)方面生產(chǎn)力的釋放。Quantum Design以其業(yè)精神，致力于為科研工作者提供質(zhì)的業(yè)設(shè)備，用戶的選擇與認(rèn)可也是我們直前行的不竭動力。

參考文獻(xiàn)：

[1]. X. Han et al., Disorder-Induced Quantum Griffiths Singularity Revealed in an Artificial 2D Superconducting System. Advanced Science 7, 1902849 (2020).

[2]. S. Ye, J. Li, J. Wang, High-temperature superconductivity and quantum Griffith singularity in two-dimensional crystal. SCIENTIA SINICA Physica, Mechanica & Astronomica 48, 087406 (2018).

[3]. Y. Xing et al., Quantum Griffiths singularity of superconductor-metal transition in Ga thin films. Science 350, 542 (2015).

[4]. Y. Liu et al., Anomalous quantum Griffiths singularity in ultrathin crystalline lead films. Nature Communications 10, 3633 (2019).

相關(guān)產(chǎn)品:

1、*無液氦綜合物性測量系統(tǒng)-DynaCool