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向极限迈进,单铜氧层高温超导体问世

来源:中国科学报2026-09-17 09:40

  ■记者 江庆龄

  1986年,德国物理学家约翰内斯·贝德诺尔茨和瑞士物理学家卡尔·亚历山大·米勒在镧钡铜氧化物中发现高温超导现象,一个新的研究领域就此开启。

  此后,学界对铜基高温超导体开展了深入研究,迄今已发展出数十种材料体系。它们组分有别、超导临界温度各不相同,却都有着相似的层状结构——铜原子和氧原子构成的平面与其他原子层交替堆叠。这些材料为何能实现高温超导,至今仍是凝聚态物理领域最重要也最具挑战性的问题之一。

  恰逢铜基高温超导发现40周年之际,复旦大学教授张远波、阮威团队与中国科学院院士、中国科学技术大学教授陈仙辉团队合作,成功制备出只含一个铜氧面的铜基高温超导体。联合团队通过实验证实了高温超导的二维本质,并在超导体与绝缘体转变的临界点发现了奇异的“反常金属态”和量子临界现象,为研究高温超导机理提供了全新的量子实验平台。相关研究成果近日发表于《自然》。

  单层材料。复旦大学供图

  在“旧问题”中看到“新机会”

  2011年,33岁的张远波结束海外求学和研究,回国加入复旦大学。此时,他已经从事石墨烯研究近十年,并在向黑磷等其他二维材料拓展。

  作为二维材料领域的一个早期开拓者,张远波对于这类材料的物理特性一直很着迷。倘若常规的三维层状材料是一本书,张远波做的事情就是仔细研读其中的一页——既可以“管中窥豹”,通过这一页了解全书的一些特点,也有可能挖掘出不存在于三维体系中的物理现象。

  “二维材料的所有原子都暴露在表面上,没有被‘藏起来’的部分,相比三维材料更容易被调控。”张远波补充道。

  2015年,张远波团队与陈仙辉团队在《自然-纳米技术》发表合作成果,介绍了一种调节二维材料内部电荷的方法。他们发现,通过调节二硫化钽内部的电荷,可以让材料变得更导电或者更绝缘、呈现或失去超导性,实现材料的“七十二变”。

  也是在这个阶段,张远波开始关注铜基高温超导体中的维度问题。

  目前大多数高温超导材料均呈层状结构,由原子层逐层堆叠而成。但从理论上看,二维体系中热涨落强烈,二维高温超导原则上并不稳定。这种看似矛盾的现象或许就隐藏着理解高温超导机理的关键。

  很自然地,张远波看到了转向新领域的机会。“我们想到,实验室此前建立的一系列二维材料制备与表征方法,或许也可以用来研究高温超导中的这个问题。”他说。

  张远波团队与合作者选择了一种有代表性的铜基超导体铋锶钙铜氧(Bi2Sr2CaCu2O8+δ,Bi-2212)。经过4年攻关,团队发现,二维极限下的单层Bi-2212具备高温超导所需的一切条件。这项工作为高温超导的二维理论模型提供了直接实验证据,并在2019年发表于《自然》。

  但是考虑到单层Bi-2212中仍有两个铜氧面,两者之间的相互作用可能会帮助稳定超导,张远波又开始寻找其他铜基超导体材料。

  这一次,他们关注到单层结构中仅含一个铜氧面的材料Bi2Sr2CuO6+δ(Bi-2201)。研究结果显示,单层Bi-2201的最佳超导转变温度比块体降低了大约10%,但完整保留了块体材料的强关联物理特征,铜氧化物的核心物理属性在单个铜氧面中依然完好呈现。

  “实测数据有力支持了铜氧化物高温超导是二维现象的观点,为这一长期假设提供了确切的实验证据。”张远波告诉《中国科学报》。

  在此基础上,团队成功观测到从莫特绝缘相到整个超导穹顶的完整物理相图,并进一步在接近绝对零度(约100毫开尔文)的实验条件下,探索了超导-绝缘体的量子临界区域。

  “我们在单层Bi-2201中观测到一个奇特的量子临界现象。”张远波表示,随着温度降低,传统量子临界点附近的普适标度行为失效,其有效临界指数随着接近临界区而迅速发散,呈现出典型的量子格里菲斯奇异性。

  此外,在绝对零度极限下,超导与绝缘之间出现了反常金属态,即随着温度降低,材料的电阻趋于一个非零的稳定值。这与超导体的零电阻、绝缘体随降温越来越难导电的表现都不同。

  “反常金属态既可以通过降低空穴掺杂获得,也可以通过外加垂直磁场获得。”阮威表示,“该发现与玻色金属图像吻合,即高温超导由一种无能隙、非超流的二维玻色体系经由量子相变涌现。”

  试错,还是试错

  “石墨烯工艺直接用于高温超导其实并不适合,需要摸索新的方法。”受访过程中,张远波多次提到“试错”。

  刚开始研究Bi-2212时,团队就遇到了一个棘手问题。二维高温超导材料非常脆弱,一放到空气中就“变质”。空气中的微量水分会完全破坏它的结构,稍一受热又可能让其中的氧流失,改变材料的性质。他们必须找到一个合适的环境,让单层Bi-2212从剥离到接入测量电路都能得到妥善保护。

  经过一年多的反复试错,团队把石墨烯的整套研究体系“搬进”了氩气环境,并让操作台保持在零下40℃的低温条件下。他们还自主开发了微电极冷焊技术,在低温下将电极直接焊到薄片上,避开了常规操作中可能损伤样品的加热步骤。

  这套研究体系支撑了团队2019年的研究,也为此次工作奠定了基础。

  “前一项工作中发展的材料制备等技术,可以用于其他二维材料。”张远波介绍,“Bi-2201最主要的难点,是在极端低温条件下进行原位调控。”

  由于只有一个铜氧面,单层Bi-2201在载流子调控范围和精度这两个方面都展现出前所未有的能力。团队发现,在单层Bi-2201中,掺杂水平与方块电阻之间存在对应关系,而空穴掺杂水平又由间隙氧决定,进而改变超导性质。基于此原理,团队发展了一套在臭氧环境中的原位掺杂调控技术,实现了对氧含量的可逆调节。

  “我们可以一边测量,一边通过控制臭氧浓度和温度来精确调节材料的氧含量。”阮威介绍。由此,团队实现了高达δp≈0.0005的掺杂分辨率,可以理解为在2000个铜原子中掺杂1个空穴。

  “如果没有这些设备和发展出的方法,我们应该无法将铜氧化物的厚度推进至真正的单层结构,也无法实现对铜氧化物超导属性的极限验证。”张远波表示,“这套体系的建立并不容易,需要大量的思考辅以反复试错,一点点优化。”

  向同行敞开大门

  “高温超导机理至今仍未完全破解,但过去每一次对极限条件的逼近——材料更薄、更纯、更可控,都是一次添砖加瓦,将答案的边界再往深处推进一步。”张远波说,“如果我能够在这个重要问题上迈出一小步,就心满意足了。”

  对他而言,把材料做得更薄、更可控,让过去难以开展的实验成为可能,是团队为这一领域“添一块砖”的方式。

  因此,除了科学方面的发现,张远波也十分愿意将搭建起来的实验体系向同行开放。

  从2019年起,陆续有国内外其他团队的学生来到张远波实验室交流、学习,他们则毫无保留地分享了制备工艺和操作流程。“将科学发现和技术方法与学界共享,正是基础研究工作的一部分。”张远波说。

  同时,这些年搭建的实验体系,也为后续研究提供了条件。研究人员可以尝试将这套方法用于其他二维材料,也可以去探索更多调控方法,从不同角度观察超导如何出现、如何消失,为理解它的机理寻找线索。

  相关论文信息:

  https://doi.org/10.1038/s41586-026-10857-1

  《中国科学报》 (2026-09-17 第1版 要闻)

[ 责编:李欣哲 ]
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