據(jù)復(fù)旦大學(xué)應(yīng)用表面物理國家重點實驗室網(wǎng)站10月31日消息，近日，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系、應(yīng)用表面物理國家重點實驗室張遠(yuǎn)波課題組及合作者在二維銅基超導(dǎo)體領(lǐng)域的研究取得進(jìn)展。團(tuán)隊首次提供直接實驗證據(jù)，證明了二維極限下的單層銅基超導(dǎo)體具有和塊體銅基超導(dǎo)體相同的超導(dǎo)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(dǎo)性》（“High-temperature superconductivity in monolayer Bi2Sr2CaCu2O8+δ”）為題，以研究長文形式在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）雜志主刊。

復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授張遠(yuǎn)波，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系教授陳仙輝，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系博士生馬立國為論文共同通訊作者。物理學(xué)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(zhì)量晶體，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授沈健和博士后葉存共同參與此項研究。

掃描隧道顯微鏡下的單層Bi-2212

走近二維極限下的銅基超導(dǎo)體系

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

有意思的是，迄今合成的數(shù)十種銅基超導(dǎo)體雖組分彼此有別，超導(dǎo)臨界溫度也各不相同，卻都具有相似的層狀原子結(jié)構(gòu)：它們的核心結(jié)構(gòu)皆由銅氧面（由銅原子和氧原子構(gòu)成的原子平面）和由其它原子構(gòu)成的平面經(jīng)層層交替堆疊而成。為什么高溫超導(dǎo)體會紛紛選擇這一層狀結(jié)構(gòu)？面對這一謎題，人們至今沒有完整的認(rèn)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(dǎo)體減薄至二維極限，也即僅僅一個最小的完整結(jié)構(gòu)單元，其是否仍具備相同的高溫超導(dǎo)特性？帶著這樣的疑問，從一種具有代表性的銅基超導(dǎo)體鉍鍶鈣銅氧（Bi2Sr2CaCu2O8+δ，簡稱Bi-2212）出發(fā)，張遠(yuǎn)波課題組開啟了一場在高溫超導(dǎo)體上尋找維度效應(yīng)的4年之旅。

“不論是高溫超導(dǎo)態(tài)本身，還是與其有關(guān)的諸多關(guān)聯(lián)電子態(tài)，本質(zhì)上都是二維現(xiàn)象?！苯Y(jié)合輸運和掃描隧道顯微學(xué)及譜學(xué)數(shù)據(jù)，團(tuán)隊最終發(fā)現(xiàn)二維極限下的單層Bi-2212已具備高溫超導(dǎo)所需的一切因素。這一結(jié)論為高溫超導(dǎo)的二維理論模型，和既有高溫超導(dǎo)塊體材料表面研究的有效性提供了更加堅實的實驗基礎(chǔ)。

探索對極不穩(wěn)定二維材料的研究方法

在結(jié)論之外，該項工作對極不穩(wěn)定二維材料之研究方法的技術(shù)探索亦十分可貴，拓展了有關(guān)二維材料研究的視野。

據(jù)成員回憶，團(tuán)隊通過使用經(jīng)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(zhàn)”。

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

面對這樣的困難，團(tuán)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(huán)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(guī)真空鍍膜技術(shù)，自主開發(fā)微電極冷焊技術(shù)，將銦/金箔電極在低溫下直接與薄層樣品接合。

利用這一方案，單層Bi-2212單晶中的高質(zhì)量超導(dǎo)轉(zhuǎn)變第一次展現(xiàn)在團(tuán)隊眼前。在測量過程中，團(tuán)隊又通過對單層樣品進(jìn)行原位的退火調(diào)控其載流子濃度，在單層樣品中得到相圖，完美復(fù)現(xiàn)了塊體材料的相圖。實驗發(fā)現(xiàn)，單層Bi-2212在最佳摻雜狀態(tài)下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度與塊體材料的數(shù)據(jù)相比幾乎完全一致，差別在實驗誤差范圍之內(nèi)。

在充分理解了單層Bi-2212的變質(zhì)機(jī)制后，團(tuán)隊進(jìn)一步對單層銅基超導(dǎo)體進(jìn)行了掃描隧道顯微學(xué)和譜學(xué)研究，而這同樣并非易事。掃描隧道顯微鏡對于樣品質(zhì)量的要求非?？量?，為此，團(tuán)隊對已有實驗設(shè)備進(jìn)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(huán)境中，使樣品質(zhì)量得到了進(jìn)一步提升。對掃描隧道顯微鏡得到的高質(zhì)量拓?fù)湫蚊矓?shù)據(jù)及空間分辨的能譜數(shù)據(jù)的分析表明，單層Bi-2212相圖中的超導(dǎo)態(tài)、贗能隙態(tài)、電荷密度波態(tài)、以及模特絕緣態(tài)也都和塊體行為保持一致。