PPMS稀释制冷机选件· 提供便利的低温解决方案

发布日期：2021-04-16

自1911年4月，H. K. Onnes在低温下发现汞的超导电性以来已有整整110年，超导和低温物理以其独特的魅力吸引着无数研究者前赴后继。温度是基本的物理量之一，温度越低越便于发现和观察丰富的量子力学现象。对低温的追求推动着低温制冷技术在过去的一百年里不断发展，当今世界，科研工作者已经可以非常便捷地使用商用化的稀释制冷机实现mK级超低温环境，因而也发现了众多前所未见的本征物理现象，量子相变（QPT）就是其中之一。

量子相变是指零度下系统所处的量子基态性质随外界参数变化而发生的相变。20世纪80年代在二维超导体中发现的磁场或载流子密度调制的超导-绝缘体相变（SIT）和超导-金属相变（SMT）是量子相变的典型范例。严格意义上讲，量子相变是在零度下发生的相变，其量子临界涨落会影响到有限温区的物理性质，使得很多特殊的物理性质出现在量子临界点（QCPs）附近。

近期由中科院上海微系统与信息技术研究所狄增峰研究员、谢晓明研究员、胡涛研究员等与北大王健研究员合作，在人工二维超导体系中观测到一种具有量子格里菲斯奇异性（Quantum Griffiths Singularity）的特殊超导-金属量子相变。该篇工作发表在Advance Science期刊上^[1]。

在该工作中，单晶石墨烯通过化学气相沉积到金属锗Ge(110)表面形成导电衬底，掩膜完成电极制作后利用电子束蒸发法将20 nm厚的铅（Pb）沉积到单晶石墨烯上。由于两者浸润性差，因而沉积的Pb容易形成随机不规则分布的、不连贯的纳米岛，透射电镜和扫描电镜结果都验证了Pb纳米岛的构型，且单个Pb纳米岛内部晶格结构整齐无明显晶界。

在10K以下，Ge(110)基底为绝缘体，而表面覆盖的单晶石墨烯提供了理想的二维电子气平台，使得超导Pb纳米岛之间建立二维耦合。类似基本约瑟夫森结的超导-金属-超导体系，Pb纳米岛/单晶石墨烯片层同样构成了约瑟夫森结阵列。从上图片层电阻随温度的演变曲线可以观测到明显的两阶段超导转变，分别对应Pb纳米岛的超导转变（Region II），以及更低温的约瑟夫森耦合效应超导转变（Region III）。

通过对60mK~3.9K温度区间输运数据的细致采集和仔细分析，发现该Pb纳米岛/单晶石墨烯片层在超导-金属相变量子临界点附近的输运性质异常，表现为超导-金属相变临界参量随温度连续变化，形成一条临界线，在逼近量子临界点，临界磁场与WHH理论模拟值（上图c中虚线）存着显著差异，同时临界指数趋于量子临界磁场时发散，而不是通常认知的固定值，这正是量子格里菲斯奇异性的表现。在传统相变中，在逼近临界点时，各临界指数趋于常量，而格里菲斯奇异性的存在，导致各临界指数不再保持为常数，而呈现发散趋势。

格里菲斯奇异性来源于系统的无序或涨落在临界点附近对系统的相变行为产生的非平庸影响。在系统从无序相到有序相的转变中，较强的随机无序或涨落导致系统还未到达临界点时就以一定概率出现趋近热力学极限尺度的有序相。这些大块连通的有序区域使得系统的热力学势达到相变点以前就已出现奇异行为，从而导致系统各临界指数在临界点处呈现发散趋势^[2]。

早在低维超导体系中发现和证实量子格里菲斯奇异性的存在是由北京大学王健研究组与谢心澄院士、林熙研究员、王垡研究员、马旭村研究员、薛其坤院士等人合作完成，在三个原子层厚（小于1纳米厚）的镓（Ga）薄膜中发现了二维超导-金属相变具有格里菲斯奇异性，该工作发表在Science上^[3]。此后王健研究组与谢心澄院士、林熙研究员和北京师范大学刘海文研究员等人合作在超薄晶态铅膜中发现了反常量子格里菲斯奇异性的存在，该工作发表在Nature Communication上^[4]。

量子相变的细致研究与温制冷技术的发展密不可分，前文提到的多篇工作的mK级温区数据均采用了Quantum Design的综合物性测量系统的稀释制冷机选件(DR)。该选件可以实现样品处低50mK的温环境，的拓展了PPMS系统的研究范畴。

DR选件简单易用，与PPMS平台无缝连接，并与PPMS平台的测量应用软件完全兼容。DR选件出厂时已经密封了He3和He4的混合气体，运行时只需将样品安装到样品台，再将DR选件插杆插入样品腔，控制程序自动降温到50mK，不需要额外的操作。

与此同时，DR选件又是完全独立的，所有组件都被整合到一个推车上，在不使用DR选件时能够简易从样品腔取出安置和收纳，完全不影响系统其他测试选件的使用。

简单易用和完全闭循环的设计使PPMS系统的DR选件成为实验室mk级低温获得的有效工具，不仅如此，多样化的兼容选件可直接实现温下的各种测量功能，包括直流电阻测量，电输运ETO测量，比热HC测量以及交流磁化率AC测量。相对于常规商用温测量设备而言，PPMS系统及其温组件有着较低的学习门槛，易于上手。即便是初次接触温实验的用户也能在较短时间内掌握使用技巧。

让一个新手能够很快的掌握测量技术，使大家有更多的精力和注意力集中在科学问题上，而不是技术手段上，这是对科学方面生产力的释放。Quantum Design以其专业精神，致力于为科研工作者提供便捷优质的专业设备，用户的选择与认可也是我们一直前行的不竭动力。

参考文献：

[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).