导读：围绕“向极限迈进中国科学家成功制备单铜氧层高温超导体”，科技人汇总并整理了近期多家权威机构公开发布的相关报道与官方信息，从事件背景、核心进展到业界反响进行系统梳理，帮助读者快速把握要点。

向极限迈进，中国科学家成功制备单铜氧层高温超导体

1986年，约翰内斯·贝德诺尔茨和卡尔·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，且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》。

单层材料。复旦大学供图，下同

在“旧问题”中看到“新机会”

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，并在进一步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。人们既可以“管中窥豹”，通过这一页了解全书的一些特点，也有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，相比于三维体材料而言更容易被调控。”张远波补充道。

张远波。

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。他们利用此方法发现，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”。

也是在这个阶段，张远波开始关注铜基高温超导体中的维度问题。

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，或许也可以用来研究高温超导中的这个问题。”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，简称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因素。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，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帮助稳定超导，张远波又马上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（简称Bi-2201）。研究结果显示，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 mK）的实验条件下，探索超导-绝缘体的量子临界区域。

“我们在单层Bi-2201中观测到了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。

“反常金属态既可以通过降低空穴掺杂获得，也可以通过外加垂直磁场获得。”阮威表示，“该发现与玻色金属图象相吻合，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。”

团队合影，前排右一为张远波，左一为阮威。

试错，还是试错

“石墨烯的工艺直接用到高温超导其实并不适合，需要摸索新的方法。”采访过程中，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”。空气中的微量水分就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。他们必须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”了氩气环境中，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接到薄片上，避开常规操作中可能损伤样品的加热步骤。

这套研究体系支撑了团队2019年的《自然》研究，也成为此次工作的基础。

“前一项工作中发展的材料制备等技术，可以用于其他二维材料中。”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。”

团队成员在实验室进行操作。

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存在对应关系，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下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，一边通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，可以理解为在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，我们应该没有办法将铜氧化物的厚度推进至真正的单层结构，也无法实现对铜氧化物超导属性的极限验证。”张远波坦言，“这套体系的建立并不容易，需要大量的思考辅以反复试错，一点点优化。”

向同行敞开大门

“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使用。

实验室仪器。

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，他们则毫无保留地分享制备工艺和操作流程。“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，过去这些年搭建的实验体系，也为后续研究准备了条件。人们可以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。

相关论文信息：