向极限迈进，中国科学家成功制备单铜氧层高温超导体
向极限迈进，中国科学家成功制备单铜氧层高温超导体
1986年，约翰内斯·贝德诺尔茨和卡尔·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，且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，下同
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，并在进一步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。人们既可以“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，相比于三维体材料而言更容易被调控。”张远波补充道。
张远波。
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。他们利用此方法发现，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（Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+δ ，简称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因素。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，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帮助稳定超导，张远波又马上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Bi 2 Sr 2 CuO 6+δ （简称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 mK）的实验条件下，探索超导-绝缘体的量子临界区域。
“我们在单层Bi-2201中观测到了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象相吻合，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。”