扫描隧道显微镜下的单层Bi-2212 张远波课题组供图

铜基超导体是一种优质的导电材料。迄今为止，人类已经合成数十种铜基超导体，它们虽组分有别，超导临界温度也各不相同，却都具有相似的层状原子结构。为什么高温超导体纷纷选择层状结构？如果将这些层状铜基超导体减薄至二维极限，其是否仍具备相同的高温超导特性呢？

近日，复旦大学物理学系张远波课题组一项的研究给出了答案。历时4年，该团队首次获得了二维极限下的单层铜基超导体的导电数据，证明其具有与块体铜基超导体相同的超导特性。10月31日，该项研究在线发表于《自然》杂志。

铜基超导体的超导临界温度达到零下139℃。自上世纪90年代，一直保持着常压条件下超导临界温度的记录。目前已知，铜基超导体具有相似的层状原子结构，它们的核心结构皆由铜氧面和由其它原子构成的平面经层层交替堆叠而成。铜基超导体的导电特性是否与其结构有关呢？

研究团队从一种具有代表性的铜基超导体——铋锶钙铜氧（Bi-2212）出发，以氧化硅为衬底，成功得到大面积单层Bi-2212单晶，却在对单层样品的研究上遭遇瓶颈，不得不展开一场“攻坚战”。

原来，块体的Bi-2212在大气环境下非常稳定，而单层Bi-2212却是一种对大气及环境温度极其敏感的材料。痕量水就会完全破坏其晶体结构，使其发生不可逆的变质；略微的加热就会使其结构中用来提供超导所需的载流子的间隙氧挥发，而逃离晶体。

目前的加工手段中，Bi-2212均不可避免地需要经过液相化学环境处理，或经历不同程度的加热，因此，制备单层Bi-2212晶体犹如天方夜谭。

历时一年多的试错，最终，该团队探索出一套制备单层Bi-2212输运器件的完整方案。在电极的制备过程中，研究团队摒弃了可能造成失氧的常规真空镀膜技术，自主开发微电极冷焊技术，将铟/金箔电极在低温下直接与薄层样品接合，并且所有的制备都在零下40℃的惰性气体环境中完成。

利用这一方案，单层Bi-2212单晶中的高质量超导转变第一次展现在团队眼前。在测量过程中，团队又通过对单层样品进行原位的退火调控其载流子浓度，在单层样品中得到相图，完美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。

在充分理解了单层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隧道显微学和谱学研究，而这也并非易事。扫描隧道显微镜对于样品质量的要求非常苛刻，为此，研究人员对已有实验设备进行了改装和升级，将单层样品的制备工艺拓展到超高真空环境中，使样品质量得到了进一步提升。

结合输运和扫描隧道显微学及谱学数据，该团队发现，二维极限下的单层Bi-2212相图中的超导态、赝能隙态、电荷密度波态、以及模特绝缘态也都与块体行为保持一致。这一结论为高温超导的二维理论模型和既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，并拓展了有关二维材料研究的视野。

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