復旦大學張遠波課題組取得二維高溫超導體研究進展

　　近日，復旦大學物理學系、應用表面物理國家重點實驗室張遠波課題組在二維銅基超導體領域的研究取得進展。團隊首次提供直接實驗證據，證明了二維極限下的單層銅基超導體具有和塊體銅基超導體相同的超導特性。北京時間10月31日凌晨，該項研究以《單層鉍鍶鈣銅氧中的高溫超導性》（“High-temperature superconductivity in monolayer Bi2Sr2CaCu2O8+δ”）為題，以研究長文形式在線發表于國際學術期刊《自然》（Nature）雜志主刊。

　　復旦大學物理學系教授張遠波，中國科學技術大學物理系教授陳仙輝，復旦大學物理學系博士生馬立國為論文共同通訊作者。物理學系博士后於逸駿，博士生馬立國，博士后蔡鵬為論文共同第一作者。美國布魯克海文國家實驗室教授顧根大、博士鐘瑞丹為研究提供了實驗所需的高質量晶體，復旦大學物理學系教授沈健和博士后葉存共同參與此項研究。

　　走近二維極限下的銅基超導體系

　　1986年，物理學家J. Georg Bednorz和K. Alex Müller首次發現銅基高溫超導體，并在次年因該項工作被授予諾貝爾物理學獎。目前，在1個大氣壓下，銅基超導體的超導臨界溫度最高達134開爾文（-139℃），仍保持著常壓條件下超導臨界溫度的記錄。

　　有意思的是，迄今合成的數十種銅基超導體雖組分彼此有別，超導臨界溫度也各不相同，卻都具有相似的層狀原子結構：它們的核心結構皆由銅氧面（由銅原子和氧原子構成的原子平面）和由其它原子構成的平面經層層交替堆疊而成。為什么高溫超導體會紛紛選擇這一層狀結構？面對這一謎題，人們至今沒有完整的認識。

　　由此，一個頗為有趣的問題被引出——如果將這些層狀銅基超導體減薄至二維極限，也即僅僅一個最小的完整結構單元，其是否仍具備相同的高溫超導特性？帶著這樣的疑問，從一種具有代表性的銅基超導體鉍鍶鈣銅氧（Bi2Sr2CaCu2O8+δ，簡稱Bi-2212）出發，張遠波課題組開啟了一場在高溫超導體上尋找維度效應的4年之旅。

　　“不論是高溫超導態本身，還是與其有關的諸多關聯電子態，本質上都是二維現象。”結合輸運和掃描隧道顯微學及譜學數據，團隊最終發現二維極限下的單層Bi-2212已具備高溫超導所需的一切因素。這一結論為高溫超導的二維理論模型，和既有高溫超導塊體材料表面研究的有效性提供了更加堅實的實驗基礎。

　　探索對極不穩定二維材料的研究方法

　　在結論之外，該項工作對極不穩定二維材料之研究方法的技術探索亦十分可貴，拓展了有關二維材料研究的視野。

　　據成員回憶，團隊通過使用經氧等離子體處理的氧化硅作為襯底，成功地解理得到大面積單層（即半個原胞厚度的）Bi-2212單晶，卻在對單層樣品的研究上遭遇瓶頸，不得不展開一場“攻堅戰”。

　　原來，一般認為塊體的Bi-2212在大氣環境下非常穩定，而實驗發現單層Bi-2212卻是一種對大氣及環境溫度極其敏感的材料：痕量的水就會完全破壞其晶體結構，使其不可逆地變質；而略微的加熱就會使其結構中用來提供超導所需的載流子的間隙氧揮發逃離晶體。在當時所有可用的微納加工手段下，樣品都會不可避免地經過液相化學環境，或經歷不同程度的加熱，想要得到由本征單層Bi-2212晶體構成的器件成了一件一時無從談起的事。

　　面對這樣的困難，團隊的選擇，是歷時1年多的不斷試錯。最終，一套制備單層Bi-2212輸運器件的完整方案走向成熟：所有的制備都在零下40℃的惰性氣體環境中完成；在電極的制備過程中，果斷摒棄了可能造成失氧的常規真空鍍膜技術，自主開發微電極冷焊技術，將銦/金箔電極在低溫下直接與薄層樣品接合。

圖說：掃描隧道顯微鏡下的單層Bi-2212。

　　利用這一方案，單層Bi-2212單晶中的高質量超導轉變第一次展現在團隊眼前。在測量過程中，團隊又通過對單層樣品進行原位的退火調控其載流子濃度，在單層樣品中得到相圖，完美復現了塊體材料的相圖。實驗發現，單層Bi-2212在最佳摻雜狀態下的超導轉變溫度與塊體材料的數據相比幾乎完全一致，差別在實驗誤差范圍之內。

　　在充分理解了單層Bi-2212的變質機制后，團隊進一步對單層銅基超導體進行了掃描隧道顯微學和譜學研究，而這同樣并非易事。掃描隧道顯微鏡對于樣品質量的要求非常苛刻，為此，團隊對已有實驗設備進行了改裝和升級，將單層樣品的制備工藝拓展到超高真空環境中，使樣品質量得到了進一步提升。對掃描隧道顯微鏡得到的高質量拓撲形貌數據及空間分辨的能譜數據的分析表明，單層Bi-2212相圖中的超導態、贗能隙態、電荷密度波態、以及模特絕緣態也都和塊體行為保持一致。