誰是人工氧化物界面二維電子氣的父親？

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大千世界精彩紛呈、亦或是福禍不定，我們常常感嘆世事無常、人生無量。這種哲學態度放到物理世界也一樣屢試不爽，甚至會經常讓您目瞪口呆。這樣的實例信手拈來、比比皆是。無可奈何之餘，物理學家悻悻然地為這種自然界的別出心裁取了一個名稱：emergent phenomena，可見其口是心非、惺惺作態之狀。文末附論文下載。

我拿過渡金屬氧化物界面二維電子氣為例加以說明。當一個具有電極性表面的鈣鈦礦氧化物與一個非電極性表面的鈣鈦礦氧化物親和在一起時，即便這兩類親和的氧化物都是絕緣體，即便都是比一般絕緣體更絕緣體的絕緣體(絕緣體的立方)，讓您目瞪口呆的現象依然會出來。最經典的親和體系就是SrTiO3與LaAlO3。因為沿(001)看去，LaAlO3的原子層面都是電極性的，而SrTiO3則非。利用諸如MBE等陽春白雪的方法沿(001)方向將它們堆砌在一起，就會出現兩種情況：要麼是SrTiO3的表層TiO2原子層與LaAlO3的表層LaO原子層相鄰，要麼是TiO2與AlO2相鄰。看君如果要問為什麼SrTiO3的表層不是SrO，那我無話可說，雖然即便是SrO表層也沒有問題。

無論如何，所謂的emergent phenomena出現了：這個TiO2與LaO相鄰的界面(或者SrO與AlO2相鄰)呈現了令人匪夷所思的金屬導電性(注意：both費米面態密度and高遷移率都要有)、甚至是超導電性！這就是所謂的過渡金屬氧化物二維電子氣(2DEG)。

N. Nakagawa, H. Y. Hwang, and D. A. Muller, Nature Mater. 5, 204 (2006) (http://www.nature.com/nmat/journal/v5/n3/full/nmat1569.html)

一個基於大學電磁學的科普解釋：電勢累積崩塌圖像見於上圖：只要LaO層提供「半個」電荷給TiO2、或者SrO層提供「半個」電荷給界面，就會使得電勢累積崩塌的悖論迎刃而解！

實話說，這個電勢累積崩塌的物理圖像是那樣直截了當，讓人愛不釋手，實在是太高明以至於很可能是假的。物理人過去幾十年已經被虐得經常以失敗為光榮、以成功為僥倖。不過，即便是假的也要當成真的，成百上千位物理學高手在各種會議上都拿這個圖出來「指點江山」，或者說「為虎作倀」。

為何這麼說呢？一者，從來就沒有明白無誤和直接的實驗證據看到界面處發生了這「半個」電荷轉移；二者，少數清醒的達人認為這個圖像基本是胡扯，很可能是界面處出現了陰離子空位或者陽離子摻雜，導致界面電荷失衡。各位高手在各種刊物上你來我往，很恰當地做到斗而不破，非常舒服！

OK，還是有人不願意看到物理江湖這種不清不楚。來自德國德累斯頓固體與材料研究所的Jorge E Hamann-Borrero(哈曼波雷諾)小組與加拿大不列顛哥倫比亞大學Vladimir Hinkov小組就聯合了另外七家機構，研發了一種基於共振X射線反射技術(RXR)。該技術可以清楚地將氧化物界面處的電子結構與體內效應區分開來。比如，可以給出界面處的過渡金屬離子價態。

利用這一技術，他們以製備在NdGaO3襯底上的LaCoO3外延薄膜為對象。很顯然，沿(001)方向，LaCoO3是LaO和CoO2原子層面交替堆砌，都是電極性的，Co是+3價。哈曼波雷諾等人提供了令人較為信服的證據，揭示出以LaO原子層為表面層的LaCoO3薄膜，其亞表面的Co離子一半呈現+3價、一半呈現+2價。也就是說，這個亞表面發生了電子結構重構，一半的Co從LaO層那裡獲得了電子，或者說所有的Co都獲得了「半個」電荷。隨後，他們又在LaCoO3薄膜表面覆蓋上一層電極性的LaAlO3。果然，LaCoO3/LaAlO3界面處的電子結構重構沒了，所有的Co回到了+3價！

據說這幫「吃飽了沒事」的九個研究機構對這個實驗的結果欣喜若狂，因為是他們對氧化物2DEG帶給物理江湖的「晦氣」給出了明白的證據，從而為誰是人工氧化物異質結界面2DEG的父親(^_^)提供了較為確定的非DNA(RXR)鑒定結果。

八卦：氧化物界面2DEG的發現者哈羅德Hwang在網頁中的照片非常帥氣，比上海灘的黃曉明不差，或者更靦腆文雅。不久前在紐約看到他，滿臉疲憊、臉上很多老年斑。氧化物界面2DEG發現至今十幾年了，估計哈羅德也是被這個證據問題折騰夠了。現在，這個問題正在塵埃落定。

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