傅萱 科技日报记者 王春
近日，复旦年夜学物理学系张远波课题组在二维铜基超导体范畴的研究获得进展。团队初次供给直接尝试证据，证实了二维极限下的单层铜基超导体具有和块体铜基超导体不异的超导特征。北京时候10月31日清晨，该项研究功效在线颁发于国际学术期刊《天然》杂志主刊。
扫描地道显微镜下的单层Bi-2212
复旦年夜学物理学系传授张远波，中国科学手艺年夜学物理系传授陈仙辉，复旦年夜学物理学系博士生马立国为论文配合通信作者。物理学系博士后於逸骏，博士生马立国，博士后蔡鹏为论文配合第一作者。美国布鲁克海文国度尝试室传授顾根年夜、博士钟瑞丹为研究供给了尝试所需的高质量晶体，复旦年夜学物理学系传授沈健和博士后叶存配合介入此项研究。
走近二维极限下的铜基超导系统
1986年，物理学家J. Georg Bednorz和K. Alex Müller初次发现铜基高温超导体，并在次年因该项工作被授与诺贝尔物理学奖。今朝，在1个年夜气压下，铜基超导体的超导临界温度最高达134开尔文（-139℃），仍连结着常压前提下超导临界温度的记实。
成心思的是，迄今合成的数十种铜基超导体虽组分彼此有别，超导临界温度也各不不异，却都具有类似的层状原子布局：它们的焦点布局皆由铜氧面（由铜原子和氧原子组成的原子平面）和由其它原子组成的平面经层层瓜代堆叠而成。为何高温超导体味纷纭选择这一层状布局？面临这一谜题，人们至今没有完全的熟悉。
由此，一个很是有趣的题目被引出——若是将这些层状铜基超导体减薄至二维极限，也即仅仅一个最小的完全布局单位，其是不是仍具有不异的高温超导特征？带着如许的疑问，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）动身，张远波课题组开启了一场在高温超导体上寻觅维度效应的4年之旅。
“非论是高温超导态自己，仍是与其有关的诸多联系关系电子态，素质上都是二维现象。”连系输运和扫描地道显微学及谱学数据，团队终究发现二维极限下的单层Bi-2212已具有高温超导所需的一切身分。这一结论为高温超导的二维理论模子，和既有高温超导块体材料概况研究的有用性供给了加倍坚实的尝试根本。
摸索对极不不变二维材料的研究方式
在结论以外，该项工尴尬刁难极不不变二维材料之研究方式的手艺摸索亦十分宝贵，拓展了有关二维材料研究的视野。
据成员回想，团队经由过程利用经氧等离子体处置的氧化硅作为衬底，成功地解理获得年夜面积单层（即半个原胞厚度的）Bi-2212单晶，却在对单层样品的研究上遭受瓶颈，不能不睁开一场“攻坚战”。
本来，一般以为块体的Bi-2212在年夜气情况下很是不变，而尝试发现单层Bi-2212倒是一种对年夜气及情况温度极为敏感的材料：痕量的水就会完全粉碎其晶体布局，使其不成逆地变质；而稍微的加热就会使其布局顶用来供给超导所需的载流子的间隙氧挥发逃离晶体。在那时所有可用的微纳加工手段下，样品城市不成避免地颠末液相化学情况，或履历分歧水平的加热，想要获得由本征单层Bi-2212晶体组成的器件成了一件一时无从谈起的事。
面临如许的坚苦，团队的选择，是用时1年多的不竭试错。终究，一套制备单层Bi-2212输运器件的完全方案走向成熟：所有的制备都在零下40℃的惰性气体情况中完成；在电极的制备进程中，判断摒弃了可能造成掉氧的常规真空镀膜手艺，自立开辟微电极冷焊手艺，将铟/金箔电极在低温下直接与薄层样品接合。
操纵这一方案，单层Bi-2212单晶中的高质量超导改变第一次揭示在团队面前。在丈量进程中，团队又经由过程对单层样品进行原位的退火调控其载流子浓度，在单层样品中获得相图，完善复现了块体材料的相图。尝试发现，单层Bi-2212在最好搀杂状况下的超导改变温度与块体材料的数据比拟几近完全一致，不同在尝试误差规模以内。
在充实理解了单层Bi-2212的变质机制后，团队进一步对单层铜基超导体进行了扫描地道显微学和谱学研究，而这一样并不是易事。扫描地道显微镜对样品质量的要求很是刻薄，为此，团队对已有尝试装备进行了改装和进级，将单层样品的制备工艺拓展到超高真空情况中，使样品质量获得了进一步晋升。对扫描地道显微镜获得的高质量拓扑描摹数据及空间分辩的能谱数据的阐发表白，单层Bi-2212相图中的超导态、赝能隙态、电荷密度波态、和模特尽缘态也都和块体行动连结一致。
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