PPMS稀釋制冷機選件· 提供便的低溫解決方案

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

量子相變是指對零度下系統所處的量子基態性質隨外界參數變化而發生的相變。20世紀80年代在二維超導體中發現的磁場或載流子密度調制的超導-緣體相變（SIT）和超導-金屬相變（SMT）是量子相變的典型范例。嚴格意義上講，量子相變是在對零度下發生的相變，其量子臨界漲落會影響到有限溫區的物理性質，使得很多殊的物理性質出現在量子臨界點（QCPs）附近。

近期由中科院上海微系統與信息技術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-金屬量子相變。該篇工作發表在Advance Science期刊上[1]。

在該工作中，單晶石墨烯通過化學氣相沉積到金屬鍺Ge(110)表面形成導電襯底，掩膜完成電制作后用電子束蒸發法將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容易形成隨機不規則分布的、不連貫的納米島，透射電鏡和掃描電鏡結果都驗證了Pb納米島的構型，且單個Pb納米島內部晶格結構整齊無明顯晶界。

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Pb納米島之間建立二維耦合。類似基本約瑟夫森結的超導-金屬-超導體系，Pb納米島/單晶石墨烯片層同樣構成了約瑟夫森結陣列。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轉變，分別對應Pb納米島的超導轉變（Region II），以及更低溫的約瑟夫森耦合效應超導轉變（Region III）。

通過對60mK~3.9K溫度區間輸運數據的細致采集和仔細分析，發現該Pb納米島/單晶石墨烯片層在超導-金屬相變量子臨界點附近的輸運性質異常，表現為超導-金屬相變臨界參量隨溫度連續變化，形成條臨界線，在逼近量子臨界點，臨界磁場與WHH理論模擬值（上圖c中虛線）存著顯著差異，同時臨界指數趨于量子臨界磁場時發散，而不是通常認知的固定值，這正是量子格里菲斯奇異性的表現。在傳統相變中，在逼近臨界點時，各臨界指數趨于常量，而格里菲斯奇異性的存在，導致各臨界指數不再保持為常數，而呈現發散趨勢。

格里菲斯奇異性來源于系統的無序或漲落在臨界點附近對系統的相變行為產生的非平庸影響。在系統從無序相到有序相的轉變中，較強的隨機無序或漲落導致系統還未到達臨界點時就以定概率出現趨近熱力學限尺度的有序相。這些大塊連通的有序區域使得系統的熱力學勢達到相變點以前就已出現奇異行為，從而導致系統各臨界指數在臨界點處呈現發散趨勢[2]。

早在低維超導體系中發現和證實量子格里菲斯奇異性的存在是由北京大學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）薄膜中發現了二維超導-金屬相變具有格里菲斯奇異性，該工作發表在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劉海文研究員等人合作在超薄晶態鉛膜中發現了反常量子格里菲斯奇異性的存在，該工作發表在Nature Communication上[4]。

量子相變的細致研究與低溫制冷技術的發展密不可分，前文提到的多篇工作的mK溫區數據均采用了Quantum Design的綜合物性測量系統的稀釋制冷機選件(DR)。該選件可以實現樣品處下至50mK的低溫環境，大的拓展了PPMS系統的研究范疇。

DR選件簡單易用，與PPMS平臺無縫連接，并與PPMS平臺的測量應用軟件*兼容。DR選件出廠時已經密封了He3和He4的混合氣體，運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，*不影響系統其他測試選件的使用。

簡單易用和*閉循環的設計使PPMS系統的DR選件成為實驗室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現低溫下的各種測量功能，包括直流電阻測量，高電輸運ETO測量，比熱HC測量以及交流磁化率AC測量。相對于常規商用低溫測量設備而言，PPMS系統及其低溫組件有著較低的學習門檻，易于上手。即便是初次接觸低溫實驗的用戶也能在較短時間內掌握使用技巧。

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

參考文獻：

[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).

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