《自然》主刊发表复旦大学物理学系张远波课题组最新成果：二维高温超导体研究取得进展_风闻

文汇报  2019-10-31

​▲扫描隧道显微镜下的单层Bi-2212。

近日，复旦大学物理学系张远波课题组在二维铜基超导体领域的研究取得进展。团队首次提供直接实验证据，证明了二维极限下的单层铜基超导体具有和块体铜基超导体相同的超导特性。北京时间10月31日凌晨，该项研究以《单层铋锶钙铜氧中的高温超导性》（“High-temperature superconductivity in monolayer Bi2Sr2CaCu2O8+δ”）为题，以研究长文形式在线发表于国际学术期刊《自然》（Nature）杂志主刊。

复旦大学物理学系教授张远波，中国科学技术大学物理系教授陈仙辉，复旦大学物理学系博士生马立国为论文共同通讯作者。物理学系博士后於逸骏，博士生马立国，博士后蔡鹏为论文共同第一作者。美国布鲁克海文国家实验室教授顾根大、博士钟瑞丹为研究提供了实验所需的高质量晶体，复旦大学物理学系教授沈健和博士后叶存共同参与此项研究。

走近二维极限下的铜基超导体系

1986年，物理学家J. Georg Bednorz和K. Alex Müller首次发现铜基高温超导体，并在次年因该项工作被授予诺贝尔物理学奖。目前，在1个大气压下，铜基超导体的超导临界温度最高达134开尔文（-139℃），仍保持着常压条件下超导临界温度的记录。

有意思的是，迄今合成的数十种铜基超导体虽组分彼此有别，超导临界温度也各不相同，却都具有相似的层状原子结构：它们的核心结构皆由铜氧面（由铜原子和氧原子构成的原子平面）和由其它原子构成的平面经层层交替堆叠而成。为什么高温超导体会纷纷选择这一层状结构？面对这一谜题，人们至今没有完整的认识。

由此，一个颇为有趣的问题被引出——如果将这些层状铜基超导体减薄至二维极限，也即仅仅一个最小的完整结构单元，其是否仍具备相同的高温超导特性？带着这样的疑问，从一种具有代表性的铜基超导体铋锶钙铜氧（Bi2Sr2CaCu2O8+δ，简称Bi-2212）出发，张远波课题组开启了一场在高温超导体上寻找维度效应的4年之旅。

“不论是高温超导态本身，还是与其有关的诸多关联电子态，本质上都是二维现象。”结合输运和扫描隧道显微学及谱学数据，团队最终发现二维极限下的单层Bi-2212已具备高温超导所需的一切因素。这一结论为高温超导的二维理论模型，和既有高温超导块体材料表面研究的有效性提供了更加坚实的实验基础。

探索对极不稳定二维材料的研究方法

在结论之外，该项工作对极不稳定二维材料之研究方法的技术探索亦十分可贵，拓展了有关二维材料研究的视野。

据成员回忆，团队通过使用经氧等离子体处理的氧化硅作为衬底，成功地解理得到大面积单层（即半个原胞厚度的）Bi-2212单晶，却在对单层样品的研究上遭遇瓶颈，不得不展开一场“攻坚战”。

原来，一般认为块体的Bi-2212在大气环境下非常稳定，而实验发现单层Bi-2212却是一种对大气及环境温度极其敏感的材料：痕量的水就会完全破坏其晶体结构，使其不可逆地变质；而略微的加热就会使其结构中用来提供超导所需的载流子的间隙氧挥发逃离晶体。在当时所有可用的微纳加工手段下，样品都会不可避免地经过液相化学环境，或经历不同程度的加热，想要得到由本征单层Bi-2212晶体构成的器件成了一件一时无从谈起的事。

面对这样的困难，团队的选择，是历时1年多的不断试错。最终，一套制备单层Bi-2212输运器件的完整方案走向成熟：所有的制备都在零下40℃的惰性气体环境中完成；在电极的制备过程中，果断摒弃了可能造成失氧的常规真空镀膜技术，自主开发微电极冷焊技术，将铟/金箔电极在低温下直接与薄层样品接合。

利用这一方案，单层Bi-2212单晶中的高质量超导转变第一次展现在团队眼前。在测量过程中，团队又通过对单层样品进行原位的退火调控其载流子浓度，在单层样品中得到相图，完美复现了块体材料的相图。实验发现，单层Bi-2212在最佳掺杂状态下的超导转变温度与块体材料的数据相比几乎完全一致，差别在实验误差范围之内。

在充分理解了单层Bi-2212的变质机制后，团队进一步对单层铜基超导体进行了扫描隧道显微学和谱学研究，而这同样并非易事。扫描隧道显微镜对于样品质量的要求非常苛刻，为此，团队对已有实验设备进行了改装和升级，将单层样品的制备工艺拓展到超高真空环境中，使样品质量得到了进一步提升。对扫描隧道显微镜得到的高质量拓扑形貌数据及空间分辨的能谱数据的分析表明，单层Bi-2212相图中的超导态、赝能隙态、电荷密度波态、以及模特绝缘态也都和块体行为保持一致。