■记者 江庆龄

1986年，德国物理学家约翰内斯·贝德诺尔茨及瑞士物理学家卡尔·亚历山年夜·米勒于镧钡铜氧化物中发明高温超导征象，一个新的研究范畴就此开启。

今后，学界对于铜基高温超导体开展了深切研究，迄今已经成长出数十种质料系统。它们组分有别、超导临界温度各不不异，却都有着相似的层状布局——铜原子及氧原子组成的平面与其他原子层瓜代重叠。这些质料为什么能实现高温超导，至今仍是凝结态物理范畴最主要也最具挑战性的问题之一。

恰逢铜基高温超导发明40周年之际，复旦年夜学传授张远波、阮威团队与中国科学院院士、中国科学技能年夜学传授陈仙辉团队互助，乐成制备出只含一个铜氧面的铜基高温超导体。结合团队经由过程试验证明了高温超导的二维素质，并于超导体与绝缘体改变的临界点发明了奇特的“反常金属态”及量子临界征象，为研究高温超导机理提供了全新的量籽实验平台。相干研究结果近日发表在《天然》。

单层质料。复旦年夜学供图

于“旧问题”中看到“新时机”

2011年，33岁的张远波竣事海外修业及研究，回国插手复旦年夜学。此时，他已经经从事石墨烯研究近十年，并于向黑磷等其他二维质料拓展。

作为二维质料范畴的一个初期开拓者，张远波对于在这种质料的物理特征一直很沉迷。借使倘使通例的三维层状质料是一本书，张远波做的工作就是细心研读此中的一页——既可以“坐井观天”，经由过程这一页相识全书的一些特色，也有可能挖掘出不存于在三维系统中的物理征象。

“二维质料的所有原子都袒露于外貌上，没有被‘藏起来’的部门，比拟三维质料更易被调控。”张远波增补道。

2015年，张远波团队与陈仙辉团队于《天然-纳米技能》发表互助结果，先容了一种调治二维质料内部电荷的要领。他们发明，经由过程调治二硫化钽内部的电荷，可让质料变患上更导电或者者更绝缘、出现或者掉去超导性，实现质料的“七十二变”。

也是于这个阶段，张远波最先存眷铜基高温超导体中的维度问题。

今朝年夜大都高温超导质料均呈层状布局，由原子层逐层重叠而成。但从理论上看，二维系统中热涨落强烈，二维高温超导原则上其实不不变。这类看似抵牾的征象也许就隐蔽着理解高温超导机理的要害。

很天然地，张远波看到了转向新范畴的时机。“咱们想到，试验室此前成立的一系列二维质料制备与表征要领，也许也能够用来研究高温超导中的这个问题。”他说。

张远波团队与互助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）。颠末4年攻关，团队发明，二维极限下的单层Bi-2212具有高温超导所需的一切前提。这项事情为高温超导的二维理论模子提供了直接试验证据，并于2019年发表在《天然》。

可是思量到单层Bi-2212中仍有两个铜氧面，二者之间的彼此作用可能会帮忙不变超导，张远波又最先寻觅其他铜基超导体质料。

这一次，他们存眷到单层布局中仅含一个铜氧面的质料Bi2Sr2CuO6+δ（Bi-2201）。研究成果显示，单层Bi-2201的最好超导改变温度比块体降低了约莫10%，但完备保留了块体质料的强联系关系物理特性，铜氧化物的焦点物理属性于单个铜氧面中依然无缺出现。

“实测数占有力撑持了铜氧化物高温超导是二维征象的不雅点，为这一持久假定提供了切当的试验证据。”张远波告诉《中国科学报》。

于此基础上，团队乐成不雅测到从莫特绝缘相到整个超导穹顶的完备物理相图，并进一步于靠近绝对于零度（约100毫开尔文）的试验前提下，摸索了超导-绝缘体的量子临界区域。

“咱们于单层Bi-2201中不雅测到一个奇异的量子临界征象。”张远波暗示，跟着温度降低，传统量子临界点四周的普适标度举动掉效，其有用临界指数跟着靠近临界区而迅速发散，出现出典型的量子格里菲斯奇特性。

此外，于绝对于零度极限下，超导与绝缘之间呈现了反常金属态，即跟着温度降低，质料的电阻趋在一个非零的不变值。这与超导体的零电阻、绝缘体随降温愈来愈难导电的体现都差别。

“反常金属态既可以经由过程降低空穴掺杂得到，也能够经由过程外加垂直磁场得到。”阮威暗示，“该发明与玻色金属图象吻合，即高温超导由一种无能隙、非超流的二维玻色系统经由量子相变涌现。”

试错，还有是试错

“石墨烯工艺直接用在高温超导实在其实不合适，需要探索新的要领。”受访历程中，张远波屡次提到“试错”。

刚最先研究Bi-2212时，团队就碰到了一个棘手问题。二维高温超导质料很是懦弱，一放到空气中就“变质”。空气中的微量水份会彻底粉碎它的布局，稍一受热又可能让此中的氧流掉，转变质料的性子。他们必需找到一个适合的情况，让单层Bi-2212从剥离到接入丈量电路都能获得妥帖掩护。

颠末一年多的重复试错，团队把石墨烯的整套研究系统“搬进”了氩气情况，并让操作台连结于零下40℃的低温前提下。他们还有自立开发了微电极冷焊技能，于低温下将电极直接焊到薄片上，避开了通例操作中可能毁伤样品的加热步调。

这套研究系统支撑了团队2019年的研究，也为这次事情奠基了基础。

“前一项事情中成长的质料制备等技能，可以用在其他二维质料。”张远波先容，“Bi-2201最重要的难点，是于极度低温前提下举行原位调控。”

因为只有一个铜氧面，单层Bi-2201于载流子调控规模及精度这两个方面都揭示出史无前例的能力。团队发明，于单层Bi-2201中，掺杂程度与方块电阻之间存于对于应瓜葛，而空穴掺杂程度又由间隙氧决议，进而转变超导性子。基在此道理，团队成长了一套于臭氧情况中的原位掺杂调控技能，实现了对于氧含量的可逆调治。

“咱们可以一边丈量，一边经由过程节制臭氧浓度及温度来切确调治质料的氧含量。”阮威先容。由此，团队实现了高达δp≈0.0005的掺杂分辩率，可以理解为于2000个铜原子中掺杂1个空穴。

“假如没有这些装备及成长出的要领，咱们应该没法将铜氧化物的厚度推进至真实的单层布局，也没法实现对于铜氧化物超导属性的极限验证。”张远波暗示，“这套系统的成立其实不轻易，需要年夜量的思索辅以重复试错，一点点优化。”

向偕行洞开年夜门

“高温超导机理至今仍未彻底破解，但已往每一一次对于极限前提的迫近——质料更薄、更纯、更可控，都是一次添砖加瓦，将谜底的界限再往深处推进一步。”张远波说，“假如我可以或许于这个主要问题上迈出一小步，就称心满意了。”

对于他而言，把质料做患上更薄、更可控，让已往难以开展的试验成为可能，是团队为这一范畴“添一块砖”的方式。

是以，除了了科学方面的发明，张远波也十分愿意将搭建起来的试验系统向偕行开放。

从2019年起，陆续有海内外其他团队的学生来到张远波试验室交流、进修，他们则毫无保留地分享了制备工艺及操作流程。“将科学发明及技能要领与学界同享，恰是基础研究事情的一部门。”张远波说。

同时，这些年搭建的试验系统，也为后续研究提供了前提。研究职员可以测验考试将这套要领用在其他二维质料，也能够去摸索更多调控要领，从差别角度不雅察超导怎样呈现、怎样消散，为理解它的机理寻觅线索。

相干论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10857-1

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