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《自然》发表我国科学家这项最新成果

2020-03-14 点击:645

原标题:《自然》宣布中国科学家最新成果:二维高温超导体研究进展

据10月31日复旦大学应用表面物理国家重点实验室网站消息,近日,复旦大学应用表面物理国家重点实验室物理系张课题组及其合作者在二维铜基超导体领域取得进展。该团队首次提供了直接的实验证据,证明二维极限下的单层铜基超导体具有与块状铜基超导体相同的超导特性。北京时间10月31日凌晨,该研究以《单层铋锶钙铜氧中的高温超导性》(单层bi 2 Sr 2 CaCu 2 o 8 δ中的高温超导性)为题,以长篇文章的形式在国际学术期刊《自然》的主要期刊上发表。

复旦大学物理系教授张,中国科技大学物理系教授陈贤慧,复旦大学物理系博士生马是本文的合着者。物理系博士后俞宜军、博士生马和博士后蔡鹏是论文的合着者。美国布鲁克海文国家实验室的顾根达教授和钟博士为这项研究提供了高质量的晶体。复旦大学物理系教授和博士后叶村共同参与了本次研究。

单层Bi-2212

在扫描隧道显微镜下探讨二维极限下的铜基超导系统

1986年,物理学家乔治贝多兹和k亚历克斯穆勒首次发现了铜基高温超导体,并因此获得了次年的诺贝尔物理学奖。目前,铜基超导体在1个大气压下的超导临界温度高达134开尔文(-139℃),仍然保持着常压下超导临界温度的记录。

有趣的是,迄今为止合成的数十种铜基超导体具有相似的层状原子结构,尽管它们的组成不同,超导临界温度也不同。它们的核心结构是由铜-氧平面(由铜原子和氧原子组成的原子平面)和由其他原子组成的平面的交替层形成的。为什么高温超导体一个接一个地选择这种层状结构?面对这个难题,人们仍然没有完全理解。

因此,提出了一个相当有趣的问题。如果这些层状铜基超导体变薄到二维极限,也就是说,只有一个最小的完整结构单元,它们还会有同样的高温超导特性吗?带着这样的疑虑,张的研究小组从一个有代表性的铜基超导体铋锶钙铜氧化物(Bi2Sr2CaCu2O8 δ,简称Bi-2212)出发,开始了为期4年的旅程,寻找高温超导体的量纲效应。“高温超导态本身和许多相关的电子态本质上都是二维现象。”结合输运和扫描隧道显微镜以及光谱学数据,该团队最终发现二维极限下的单层Bi-2212已经具备了高温超导所需的所有因素。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。

探索极不稳定二维材料的研究方法

除结论外,这项工作对于极不稳定二维材料研究方法的技术探索也很有价值,拓展了二维材料研究的视野。

成员们回忆说,该团队用氧等离子体处理过的氧化硅作为衬底,成功地切割了大面积的单层(即原电池厚度的一半)Bi-2212单晶,但在单层样品的研究中遇到了瓶颈,不得不发动一场“硬仗”。

最初,人们普遍认为该块体的Bi-2212在大气环境中非常稳定,但实验发现单层Bi-2212是一种对大气和环境温度极其敏感的材料:微量的水会完全破坏其晶体结构a

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,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。因此,该团队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。扫描隧道显微镜获得的高质量拓扑形貌数据和空间分辨能谱数据分析表明,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。

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