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1986年，德国物理学家约翰内斯·贝德诺尔茨和瑞士物理学家卡尔·亚历山大·米勒在镧钡铜氧化物中发现高温超导现象，一个新的研究领域就此开启。
此后，学界对铜基高温超导体开展了深入研究，迄今已发展出数十种材料体系。它们组分有别、超导临界温度各不相同，却都有着相似的层状结构——铜原子和氧原子构成的平面与其他原子层交替堆叠。这些材料为何能实现高温超导，至今仍是凝聚态物理领域最重要也最具挑战性的问题之一。
恰逢铜基高温超导发现40周年之际，复旦大学教授张远波、阮威团队与中国科学院院士、中国科学技术大学教授陈仙辉团队合作，成功制备出只含一个铜氧面的铜基高温超导体。联合团队通过实验证实了高温超导的二维本质，并在超导体与绝缘体转变的临界点发现了奇异的“反常金属态”和量子临界现象，为研究高温超导机理提供了全新的量子实验平台。相关研究成果近日发表于《自然》。
2011年，33岁的张远波结束海外求学和研究，回国加入复旦大学。此时，他已经从事石墨烯研究近十年，并在向黑磷等其他二维材料拓展。
作为二维材料领域的一个早期开拓者，张远波对于这类材料的物理特性一直很着迷。倘若常规的三维层状材料是一本书，张远波做的事情就是仔细研读其中的一页——既可以“管中窥豹”，通过这一页了解全书的一些特点，也有一定的可能挖掘出不存在于三维体系中的物理现象。
“二维材料的所有原子都暴露在表面上，没有被‘藏起来’的部分，相比三维材料更容易被调控。”张远波补充道。
2015年，张远波团队与陈仙辉团队在《自然-纳米技术》发表合作成果，介绍了一种调节二维材料内部电荷的方法。他们发现，通过调节二硫化钽内部的电荷，可以让材料变得更导电或者更绝缘、呈现或失去超导性，实现材料的“七十二变”。
目前大多数高温超导材料均呈层状结构，由原子层逐层堆叠而成。但从理论上看，二维体系中热涨落强烈，二维高温超导原则上并不稳定。这种看似矛盾的现象或许就隐藏着理解高温超导机理的关键。
很自然地，张远波看到了转向新领域的机会。“我们想到，实验室此前建立的一系列二维材料制备与表征方法，或许也可拿来研究高温超导中的这样的一个问题。”他说。
张远波团队与合作者选择了一种有代表性的铜基超导体铋锶钙铜氧（Bi2Sr2CaCu2O8+δ，Bi-2212）。经过4年攻关，团队发现，二维极限下的单层Bi-2212具备高温超导所需的一切条件。这项工作为高温超导的二维理论模型提供了直接实验证据，并在2019年发表于《自然》。
但是考虑到单层Bi-2212中仍有两个铜氧面，两者之间的相互作用可能会帮助稳定超导，张远波又开始寻找其他铜基超导体材料。
这一次，他们关注到单层结构中仅含一个铜氧面的材料Bi2Sr2CuO6+δ（Bi-2201）。研究结果为，单层Bi-2201的最佳超导转变温度比块体降低了大约10%，但完整保留了块体材料的强关联物理特征，铜氧化物的核心物理属性在单个铜氧面中依然完好呈现。
“实测数据有力支持了铜氧化物高温超导是二维现象的观点，为这一长期假设提供了确切的实验证据。”张远波告诉《中国科学报》。
在此基础上，团队成功观测到从莫特绝缘相到整个超导穹顶的完整物理相图，并进一步在接近绝对零度（约100毫开尔文）的实验条件下，探索了超导-绝缘体的量子临界区域。
“我们在单层Bi-2201中观测到一个奇特的量子临界现象。”张远波表示，随着温度降低，传统量子临界点附近的普适标度行为失效，其有效临界指数随着接近临界区而迅速发散，呈现出典型的量子格里菲斯奇异性。
此外，在绝对零度极限下，超导与绝缘之间出现了反常金属态，即随着温度降低，材料的电阻趋于一个非零的稳定值。这与超导体的零电阻、绝缘体随降温越来越难导电的表现都不同。
“反常金属态既能够最终靠降低空穴掺杂获得，也能够最终靠外加垂直磁场获得。”阮威表示，“该发现与玻色金属图像吻合，即高温超导由一种无能隙、非超流的二维玻色体系经由量子相变涌现。”
“石墨烯工艺直接用于高温超导实际上并不适合，需要摸索新的方法。”受访过程中，张远波多次提到“试错”。
刚开始研究Bi-2212时，团队就遇到了一个棘手问题。二维高温超导材料非常脆弱，一放到空气中就“变质”。空气中的微量水分会完全破坏它的结构，稍一受热又可能让其中的氧流失，改变材料的性质。他们必找到一个合适的环境，让单层Bi-2212从剥离到接入测量电路都能得到妥善保护。
经过一年多的反复试错，团队把石墨烯的整套研究体系“搬进”了氩气环境，并让操作台保持在零下40℃的低温条件下。他们还自主开发了微电极冷焊技术，在低温下将电极直接焊到薄片上，避开了常规操作中可能损伤样品的加热步骤。
“前一项工作中发展的材料制备等技术，能够适用于其他二维材料。”张远波介绍，“Bi-2201最主要的难点，是在极端低温条件下进行原位调控。”
由于只有一个铜氧面，单层Bi-2201在载流子调控范围和精度这两个方面都展现出前所未有的能力。团队发现，在单层Bi-2201中，掺杂水平与方块电阻之间有对应关系，而空穴掺杂水平又由间隙氧决定，进而改变超导性质。基于此原理，团队发展了一套在臭氧环境中的原位掺杂调控技术，实现了对氧含量的可逆调节。
“我们可以一边测量，一边经过控制臭氧浓度和温度来精确调节材料的氧含量。”阮威介绍。由此，团队实现了高达δp≈0.0005的掺杂分辨率，能够理解为在2000个铜原子中掺杂1个空穴。
“如果没有这些设备和发展出的方法，我们该无法将铜氧化物的厚度推进至真正的单层结构，也没办法实现对铜氧化物超导属性的极限验证。”张远波表示，“这套体系的建立并不是特别容易，需要大量的思考辅以反复试错，一点点优化。”
“高温超导机理至今仍未完全破解，但过去每一次对极限条件的逼近——材料更薄、更纯、更可控，都是一次添砖加瓦，将答案的边界再往深处推进一步。”张远波说，“如果我能够在这个重要问题上迈出一小步，就心满意足了。”
对他而言，把材料做得更薄、更可控，让过去难以开展的实验成为可能，是团队为这一领域“添一块砖”的方式。
因此，除了科学方面的发现，张远波也十分愿意将搭建起来的实验体系向同行开放。
从2019年起，陆续有国内外其他团队的学生来到张远波实验室交流、学习，他们则丝毫没有保留地分享了制备工艺和操作的过程。“将科学发现和技术方法与学界共享，正是基础研究工作的一部分。”张远波说。
同时，这些年搭建的实验体系，也为后续研究提供了条件。研究人能尝试将这套方法用于其他二维材料，也可以去探索更多调控方法，从不同角度观察超导如何出现、如何消失，为理解它的机理寻找线索。
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