铜基超导体导电性与薄厚无关

扫描隧道显微镜下的单层Bi-2212远程波研究组图像

铜基超导体是一种高质量的导电材料。迄今为止，人类已经合成了几十种铜基超导体。尽管它们有不同的组成和不同的超导临界温度，但它们都有相似的层状原子结构。为什么高温超导体选择层状结构？如果这些层状铜基超导体变薄到二维极限，它们还会有同样的高温超导特性吗？

最近，复旦大学物理系张研究小组的一项研究给出了答案。四年来，该团队首次获得了单层铜基超导体在二维极限下的导电数据，证明它具有与块状铜基超导体相同的超导特性。这项研究发表在10月31日的《自然》在线版上。

铜基超导体的超导临界温度达到-139℃。自20世纪90年代以来，超导临界温度的记录一直保持在常压下。目前，已知铜基超导体具有类似的层状原子结构，并且它们的核心结构是由铜氧平面和由其它原子组成的平面逐层交替堆叠而成。铜基超导体的导电性与其结构有关吗？

该研究团队从具有代表性的铜基超导体铋锶钙氧化铜(Bi-2212)开始，成功地在氧化硅衬底上获得了大面积的单层Bi-2212单晶。然而，它在单层样品的研究中遇到了瓶颈，不得不发动一场“硬仗”。

结果表明，该区块的Bi-2212在大气环境中非常稳定，而单层Bi-2212是一种对大气和环境温度极其敏感的材料。微量水会完全破坏其晶体结构，导致不可逆的变质。轻微的加热会使间隙氧挥发，间隙氧用于提供其结构中超导性所需的载流子，并从晶体中逸出。

在当前的处理方法中，Bi-2212不可避免地需要经历液相化学环境处理或经历不同程度的加热。因此，制备单层Bi-2212晶体简直是天方夜谭。

经过一年多的反复试验，该团队最终探索出了一套完整的方案来准备一个单层的Bi-2212传输设备。在电极的制备过程中，研究团队摒弃了传统的可能造成氧损失的真空镀膜技术，自主研发了微电极冷焊技术，在低温下将铟/金箔电极与薄层样品直接键合，所有的制备都是在-40℃的惰性气体环境中完成的。

利用这一方案，首次向团队展示了单层Bi-2212单晶中的高质量超导转变。在测量过程中，该团队还通过原位退火调整了单层样品的载流子浓度，获得了单层样品的相图，完美再现了块状材料的相图。实验结果表明，最佳掺杂状态下单层Bi-2212的超导转变温度与块体材料的超导转变温度几乎相同，其差异在实验误差范围内。

在充分了解单层Bi-2212的变质机制后，该团队进一步对单层铜基超导体进行了扫描隧道显微镜和光谱学研究，这也不容易。扫描隧道显微镜对样品质量的要求非常严格。为此，研究人员对现有实验设备进行了改造和升级，将单层样品的制备过程扩展到超高真空环境，从而进一步提高了样品质量。

结合输运和扫描隧道显微镜和光谱学数据，该团队发现在二维极限下单层Bi-2212相图中的超导态、赝隙态、电荷密度波态和模型绝缘态也与体行为一致。这一结论为高温超导二维理论模型和现有高温超导块体材料表面研究的有效性提供了更加坚实的实验基础，拓展了二维材料研究的视野。

相关论文信息:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1718-x