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为何不同种类铜基超导具有相似结构？这项技术来解析

2019.11.13

　　在国家自然科学基金项目（批准号：U1732274，11527805，11425415，11421404，11888101，11534010）等的资助下，由复旦大学、中国科学技术大学与美国布鲁克海文国家实验室组成的联合团队通力合作，在二维铜基超导体研究领域取得重要进展，首次以直接的实验证据揭示了二维极限下的单层铜基超导体具有和块体铜基超导体相同的超导特性。相关成果以“High-temperature Superconductivity in Monolayer Bi2Sr2CaCu2O8+δ”（单层铋锶钙铜氧中的高温超导性）为题，于2019年10月发表在Nature（《自然》）杂志上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-019-1718-x。

图. 单层Bi-2212的测量数据。a）电输运测量得到的单层Bi-2212的相图（黑色空心圆圈代表赝能隙特征温度，白色空心圆圈代表超导转变温度）；b）扫描隧道显微镜下单层Bi-2212的形貌（右下角插图为局域放大的形貌）

　　铜基高温超导体于1986年首次被德国科学家J. Georg Bednorz和 K. Alex Müller发现，翌年二人即被授予诺贝尔物理学奖。迄今为止，已有数十种不同种类的铜基超导体被合成，在1个大气压下最高的超导临界温度达到了134开尔文（-139℃），保持着常压条件下超导临界温度的纪录。不同种类的铜基超导体虽然组分各不相同，超导临界温度也不同，但都具有相似的层状原子结构：它们的核心结构都是由铜氧面（由铜原子和氧原子构成的原子平面）和由其他原子构成的平面经过层层堆叠而形成的。为什么高温超导体选择这样的层状结构至今仍然是一个谜。理论上二维极限下的长程序通常会被抑制甚至消失，而超导就是一种长程序，这引申出一个非常有意思的问题。如果把这些层状的铜基超导体减薄到二维极限，也就是仅仅一个最小的完整结构单元，它是否还具备相同的高温超导特性？带着这样的疑问，合作团队对二维极限下的铜基超导体系开展了历时4年的研究。团队从一种具有代表性的铜基超导体铋锶钙铜氧（Bi2Sr2CaCu2O8+δ，简称Bi-2212）出发，通过机械解理的方法制备了基于本征单层Bi-2212晶体，并在样品中观测到了清晰的超导转变。通过对单层样品进行原位的退火调控其载流子浓度，团队在单层样品中复现了块体材料的相图。实验发现，单层Bi-2212在最佳掺杂状态下的超导转变温度与块体材料的数据相比几乎完全一致，差别在实验误差范围之内。

　　在此基础上，研究团队又进一步对单层铜基超导体进行了扫描隧道显微学和谱学研究。通过改装和升级已有的实验设备，将单层样品的制备工艺拓展到了超高真空环境中去，使得样品质量得到进一步提升，通过扫描隧道显微镜得到了高质量的拓扑形貌数据，以及空间分辨的能谱数据。经过分析发现，单层Bi-2212相图中的超导态、赝能隙态、电荷密度波态、以及莫特绝缘态都和块体行为保持一致。

　　以上实验首次揭示二维极限下的单层Bi-2212已经具备了高温超导所需要的因素，高温超导态以及与其有关的诸多关联电子态本质上都是二维现象。这一发现推动了对高温超导现象的深入理解。

高温超导铜基超导 bi-2212

国家自然科学基金委员会

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