谁是人工氧化物界面二维电子气的父亲？| Ising专栏
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大千世界精彩纷呈、亦或是福祸不定，我们常常感叹世事无常、人生无量。这种哲学态度放到物理世界也一样屡试不爽，甚至会经常让您目瞪口呆。这样的实例信手拈来、比比皆是。无可奈何之余，物理学家悻悻然地为这种自然界的别出心裁取了一个名称：emergent phenomena，可见其口是心非、惺惺作态之状。文末附论文下载。
我拿过渡金属氧化物界面二维电子气为例加以说明。当一个具有电极性表面的钙钛矿氧化物与一个非电极性表面的钙钛矿氧化物亲和在一起时，即便这两类亲和的氧化物都是绝缘体，即便都是比一般绝缘体更绝缘体的绝缘体(绝缘体的立方)，让您目瞪口呆的现象依然会出来。最经典的亲和体系就是SrTiO3与LaAlO3。因为沿(001)看去，LaAlO3的原子层面都是电极性的，而SrTiO3则非。利用诸如MBE等阳春白雪的方法沿(001)方向将它们堆砌在一起，就会出现两种情况：要么是SrTiO3的表层TiO2原子层与LaAlO3的表层LaO原子层相邻，要么是TiO2与AlO2相邻。看君如果要问为什么SrTiO3的表层不是SrO，那我无话可说，虽然即便是SrO表层也没有问题。
无论如何，所谓的emergent phenomena出现了：这个TiO2与LaO相邻的界面(或者SrO与AlO2相邻)呈现了令人匪夷所思的金属导电性(注意：both费米面态密度and高迁移率都要有)、甚至是超导电性！这就是所谓的过渡金属氧化物二维电子气(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)
一个基于大学电磁学的科普解释：电势累积崩塌图像见于上图：只要LaO层提供“半个”电荷给TiO2、或者SrO层提供“半个”电荷给界面，就会使得电势累积崩塌的悖论迎刃而解！
实话说，这个电势累积崩塌的物理图像是那样直截了当，让人爱不释手，实在是太高明以至于很可能是假的。物理人过去几十年已经被虐得经常以失败为光荣、以成功为侥幸。不过，即便是假的也要当成真的，成百上千位物理学高手在各种会议上都拿这个图出来“指点江山”，或者说“为虎作伥”。
为何这么说呢？一者，从来就没有明白无误和直接的实验证据看到界面处发生了这“半个”电荷转移；二者，少数清醒的达人认为这个图像基本是胡扯，很可能是界面处出现了阴离子空位或者阳离子掺杂，导致界面电荷失衡。各位高手在各种刊物上你来我往，很恰当地做到斗而不破，非常舒服！
OK，还是有人不愿意看到物理江湖这种不清不楚。来自德国德累斯顿固体与材料研究所的Jorge E Hamann-Borrero(哈曼波雷诺)小组与加拿大不列颠哥伦比亚大学Vladimir Hinkov小组就联合了另外七家机构，研发了一种基于共振X射线反射技术(RXR)。该技术可以清楚地将氧化物界面处的电子结构与体内效应区分开来。比如，可以给出界面处的过渡金属离子价态。
利用这一技术，他们以制备在NdGaO3衬底上的LaCoO3外延薄膜为对象。很显然，沿(001)方向，LaCoO3是LaO和CoO2原子层面交替堆砌，都是电极性的，Co是+3价。哈曼波雷诺等人提供了令人较为信服的证据，揭示出以LaO原子层为表面层的LaCoO3薄膜，其亚表面的Co离子一半呈现+3价、一半呈现+2价。也就是说，这个亚表面发生了电子结构重构，一半的Co从LaO层那里获得了电子，或者说所有的Co都获得了“半个”电荷。随后，他们又在LaCoO3薄膜表面覆盖上一层电极性的LaAlO3。果然，LaCoO3/LaAlO3界面处的电子结构重构没了，所有的Co回到了+3价！
据说这帮“吃饱了没事”的九个研究机构对这个实验的结果欣喜若狂，因为是他们对氧化物2DEG带给物理江湖的“晦气”给出了明白的证据，从而为谁是人工氧化物异质结界面2DEG的父亲(^_^)提供了较为确定的非DNA(RXR)鉴定结果。
八卦：氧化物界面2DEG的发现者哈罗德Hwang在网页中的照片非常帅气，比上海滩的黄晓明不差，或者更腼腆文雅。不久前在纽约看到他，满脸疲惫、脸上很多老年斑。氧化物界面2DEG发现至今十几年了，估计哈罗德也是被这个证据问题折腾够了。现在，这个问题正在尘埃落定。
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