【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】高溫超導(dǎo)電性是未來高效電力傳輸和高性能電子器件發(fā)展的重要方向，但其微觀機(jī)理始終是凝聚態(tài)物理的“皇冠之謎”。
 

　　北京時(shí)間8月12日晚間，復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系張遠(yuǎn)波教授團(tuán)隊(duì)與合作者以“Superconducting 2D cuprate with a single CuO? plane”為題，在《自然》(Nature)發(fā)表研究成果，成功將銅基高溫超導(dǎo)體削薄至僅含一個(gè)超導(dǎo)平面——即單個(gè)CuO?面。
 

　　這一“極限操作”不僅證實(shí)了高溫超導(dǎo)的二維本質(zhì)，更在超導(dǎo)-絕緣體轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)發(fā)現(xiàn)了奇異的“反常金屬態(tài)”和量子臨界現(xiàn)象，為研究高溫超導(dǎo)機(jī)理提供了全新的量子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
 

　　逼近物理極限：從“雙層”到“單層”的跨越
 

　　超導(dǎo)體，是一類在特定轉(zhuǎn)變溫度之下電阻為零且呈現(xiàn)完全抗磁性的材料，能廣泛應(yīng)用于電力傳輸和儲(chǔ)能、醫(yī)學(xué)成像、磁懸浮列車、量子計(jì)算等領(lǐng)域，具有重要的科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用價(jià)值。
 

　　1986年，約翰內(nèi)斯·貝德諾爾茨(J. Georg Bednorz)和卡爾·亞歷山大·米勒(K. Alex Müller)在鑭鋇銅氧化物(La-Ba-Cu-O)中發(fā)現(xiàn)了高溫超導(dǎo)現(xiàn)象，臨界溫度高達(dá)30 K(“K”為熱力學(xué)溫度單位“開爾文”，30 K = -243.15 ℃)，該成果獲得了1987年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后，科學(xué)家對(duì)銅基高溫超導(dǎo)體展開了深入研究，已發(fā)展出數(shù)十種材料體系。這些銅基高溫超導(dǎo)體雖在化學(xué)組成和超導(dǎo)臨界溫度上各不相同，卻都具有一大共同特征——超導(dǎo)性誕生于一層極薄的原子級(jí)二維銅氧平面。
 

　　然而，按照物理學(xué)傳統(tǒng)理論，在二維世界里，取得超導(dǎo)這樣的“有序狀態(tài)”是非常不穩(wěn)定的，極易被熱漲落破壞。為何高溫超導(dǎo)能在二維銅氧面上穩(wěn)定存在？這是理解高溫超導(dǎo)機(jī)理的關(guān)鍵。
 

　　要直面這一問題，最直接的策略就是把材料做薄到極致，甚至縮減到原子級(jí)別的厚度，去觀察超導(dǎo)性的變化。然而，銅氧化物原子層極為脆弱，易受空氣與加工工藝影響，氧含量也難以穩(wěn)定精控，給保持本征性質(zhì)的材料制備和測(cè)量帶來很大挑戰(zhàn)。
 

　　2019年，張遠(yuǎn)波團(tuán)隊(duì)與合作者曾制備出單層Bi2Sr2CaCu2O8+δ，并首次提供直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，證明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，揭示了高溫超導(dǎo)的二維本質(zhì)，研究成果發(fā)表于Nature。此次，團(tuán)隊(duì)更進(jìn)一步，在前期研究基礎(chǔ)上，成功制備出只含單個(gè)CuO?面的極限二維銅氧化物超導(dǎo)體——單層Bi2Sr2CuO6+δ(Bi2201)。
 

　　“我們首次將銅氧化物的厚度從雙層推進(jìn)至真正的單層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)銅氧化物超導(dǎo)屬性的極限驗(yàn)證。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)強(qiáng)有力地支持了‘銅氧化物高溫超導(dǎo)是強(qiáng)二維現(xiàn)象’的觀點(diǎn)，為這一長(zhǎng)期假設(shè)提供了關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)。”張遠(yuǎn)波表示。
 

　　自主研發(fā)，打造“原位調(diào)控”的科研利器
 

　　要制備并測(cè)量極薄的原子級(jí)二維平面，需要攻克材料脆弱、易受空氣與加工工藝影響、氧含量難以穩(wěn)定精控等數(shù)道實(shí)驗(yàn)難關(guān)。面對(duì)市場(chǎng)上缺乏專用設(shè)備的困境，張遠(yuǎn)波課題組走上了一條自主研發(fā)儀器的道路。
 

　　團(tuán)隊(duì)在惰性氣氛的低溫環(huán)境中完成了樣品解理與器件制備，結(jié)合微電極冷焊，解決了單層銅氧化物易被空氣和水汽破壞的難題。更重要的是，團(tuán)隊(duì)發(fā)展了具有極高精度的摻雜調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氧含量的可逆調(diào)節(jié)。
 

　　“我們一邊測(cè)量，一邊通過控制臭氧濃度和溫度來精確調(diào)節(jié)材料的氧含量。”通訊作者之一、復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系教授阮威介紹。憑借這一“原位調(diào)控”技術(shù)，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)δp≈0.0005的摻雜分辨率，得以觀測(cè)從莫特絕緣相到整個(gè)超導(dǎo)穹頂?shù)耐暾锢硐鄨D。
 

　　基于前沿實(shí)驗(yàn)儀器與創(chuàng)新技術(shù)，他們發(fā)現(xiàn)，單層材料的最佳超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度比塊體降低了大約10%，這說明厚度確實(shí)會(huì)影響超導(dǎo)溫度。但與此同時(shí)，單層材料完整保留了塊體材料的關(guān)聯(lián)系統(tǒng)特征，這表明，盡管厚度降低會(huì)影響超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，但銅氧化物的核心物理屬性在單個(gè)CuO?面中依然完好呈現(xiàn)，這也提供了對(duì)二維極限下超導(dǎo)屬性的關(guān)鍵驗(yàn)證。
 

　　利用對(duì)極欠摻雜區(qū)的高精度可調(diào)控，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將溫度降至約100 mK，深入探索了超導(dǎo)-絕緣體的量子臨界區(qū)域，取得了意想不到的發(fā)現(xiàn)。團(tuán)隊(duì)在單層Bi-2201中觀測(cè)到了一個(gè)奇特的量子臨界現(xiàn)象：隨著溫度降低，傳統(tǒng)量子臨界點(diǎn)附近的普適標(biāo)度行為失效，取而代之的是其有效臨界指數(shù)隨著接近臨界區(qū)而迅速發(fā)散，呈現(xiàn)出典型的量子格里菲斯奇異性。
 

　　更為重要的是，在零溫極限下，超導(dǎo)與絕緣之間出現(xiàn)了反常金屬態(tài)，其電阻在低溫飽和為有限值。這一反常金屬態(tài)既可以通過降低空穴摻雜獲得，也可以通過外加垂直磁場(chǎng)獲得。這一發(fā)現(xiàn)與玻色金屬圖象相吻合：高溫超導(dǎo)由一種無能隙、非超流的二維玻色體系經(jīng)由量子相變涌現(xiàn)。
 

　　這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了單個(gè)CuO?面中的真實(shí)維度效應(yīng)，更為研究量子臨界現(xiàn)象與反常金屬態(tài)提供了一個(gè)高度可調(diào)、品質(zhì)優(yōu)異的二維實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
 

　　向高溫超導(dǎo)領(lǐng)域持續(xù)“添磚加瓦”
 

　　錨定核心問題，用幾年時(shí)間攻堅(jiān)克難，這種穩(wěn)步而深入的探索是張遠(yuǎn)波團(tuán)隊(duì)的鮮明特色。本次成果不僅將高溫超導(dǎo)推向了真正的單層極限，發(fā)現(xiàn)了前人未觀測(cè)到的新現(xiàn)象，也為研究高溫超導(dǎo)機(jī)制打下了扎實(shí)基礎(chǔ)。
 

　　“我們的貢獻(xiàn)可以說是往領(lǐng)域內(nèi)‘添了一塊磚’。”團(tuán)隊(duì)表示，這項(xiàng)研究首次在單銅氧面極限下同時(shí)實(shí)現(xiàn)了“干凈的體系”和“精細(xì)的調(diào)控”，相當(dāng)于提供了一個(gè)“可控變量”的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，讓研究者能系統(tǒng)追蹤超導(dǎo)從無到有、從弱到強(qiáng)的完整轉(zhuǎn)化路徑。
 

　　高溫超導(dǎo)從1986年發(fā)現(xiàn)至今已近四十年，機(jī)理仍未完全破解，但每一次對(duì)“極限條件”的逼近，材料更薄、更純、更可控，都是一次添磚加瓦，將答案的邊界再往深處推進(jìn)一步。
 

　　下一步，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)聚焦高溫超導(dǎo)領(lǐng)域重大問題，探索更高性能的高溫超導(dǎo)體；攻克材料器件制備工藝和物性測(cè)量中的關(guān)鍵難題，持續(xù)推進(jìn)新型二維量子材料等方向的研究。
 

　　復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系張遠(yuǎn)波教授、阮威教授和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳仙輝教授為論文的共同通訊作者。研究合作單位包括復(fù)旦大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、英屬哥倫比亞大學(xué)、浙江大學(xué)、中國人民大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所、魏茨曼科學(xué)研究院、清華大學(xué)等。本研究得到了科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、教育部基礎(chǔ)學(xué)科和交叉學(xué)科突破計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)原創(chuàng)探索計(jì)劃、科技部重大項(xiàng)目、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)、新基石科學(xué)基金會(huì)等項(xiàng)目和單位的支持。
 

　　引用：復(fù)旦團(tuán)隊(duì)首次制備單銅氧層高溫超導(dǎo)體，成果于《自然》雜志發(fā)表【引用時(shí)間：2026年8月14日】