复旦团队首次制备单铜氧层高温超导体，发现奇异“反常金属态”和量子临界现象

高温超导电性是未来高效电力传输和高性能电子器件发展的重要方向，但其微观机理始终是凝聚态物理的“皇冠之谜”。北京时间8月12日晚间，复旦大学物理学系张远波教授团队与合作者在《自然》（Nature）发表研究成果，成功将铜基高温超导体削薄至仅含一个超导平面——即单个CuO₂面。

这一“极限操作”不仅证实了高温超导的二维本质，更在超导-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。

逼近物理极限

超导体，是一类在特定转变温度之下电阻为零且呈现完全抗磁性的材料，能广泛应用于电力传输和储能、医学成像、磁悬浮列车、量子计算等领域，具有重要的科学研究和技术应用价值。

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（La-Ba-Cu-O）中发现了高温超导现象，临界温度高达30K（“K”为热力学温度单位“开尔文”，30K=-243.15℃），该成果获得了1987年诺贝尔物理学奖。此后，科学家对铜基高温超导体展开了深入研究，已发展出数十种材料体系。这些铜基高温超导体虽在化学组成和超导临界温度上各不相同，却都具有一大共同特征——超导性诞生于一层极薄的原子级二维铜氧平面。

然而，按照物理学传统理论，在二维世界里，取得超导这样的“有序状态”是非常不稳定的，极易被热涨落破坏。为何高温超导能在二维铜氧面上稳定存在？这是理解高温超导机理的关键。

要直面这一问题，最直接的策略就是把材料做薄到极致，甚至缩减到原子级别的厚度，去观察超导性的变化。然而，铜氧化物原子层极为脆弱，易受空气与加工工艺影响，氧含量也难以稳定精控，给保持本征性质的材料制备和测量带来很大挑战。

2019年，张远波团队与合作者曾制备出单层Bi2Sr2CaCu2O8+δ，并首次提供直接的实验证据，证明二维极限下的单层铜基超导体具有和块体铜基超导体相同的超导特性，揭示了高温超导的二维本质，研究成果发表于Nature。此次，团队更进一步，在前期研究基础上，成功制备出只含单个CuO₂面的极限二维铜氧化物超导体——单层Bi2Sr2CuO6+δ（Bi‑2201）。

“我们首次将铜氧化物的厚度从双层推进至真正的单层结构，实现了对铜氧化物超导属性的极限验证。实测数据强有力地支持了‘铜氧化物高温超导是强二维现象’的观点，为这一长期假设提供了关键实验证据。”张远波表示。

单层材料

打造科研利器

要制备并测量极薄的原子级二维平面，需要攻克材料脆弱、易受空气与加工工艺影响、氧含量难以稳定精控等数道实验难关。面对市场上缺乏专用设备的困境，张远波课题组走上了一条自主研发仪器的道路。

团队在惰性气氛的低温环境中完成了样品解理与器件制备，结合微电极冷焊，解决了单层铜氧化物易被空气和水汽破坏的难题。更重要的是，团队发展了具有极高精度的掺杂调控技术，实现了对氧含量的可逆调节。

“我们一边测量，一边通过控制臭氧浓度和温度来精确调节材料的氧含量。”通讯作者之一、复旦大学物理学系教授阮威介绍。凭借这一“原位调控”技术，团队实现了高达δp≈0.0005的掺杂分辨率，得以观测从莫特绝缘相到整个超导穹顶的完整物理相图。

实验室仪器

基于前沿实验仪器与创新技术，他们发现，单层材料的最佳超导转变温度比块体降低了大约10%，这说明厚度确实会影响超导温度。但与此同时，单层材料完整保留了块体材料的关联系统特征，这表明，尽管厚度降低会影响超导转变温度，但铜氧化物的核心物理属性在单个CuO₂面中依然完好呈现，这也提供了对二维极限下超导属性的关键验证。

更为重要的是，在零温极限下，超导与绝缘之间出现了反常金属态，其电阻在低温饱和为有限值。这一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。这一发现与玻色金属图象相吻合：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。

这一发现不仅揭示了单个CuO₂面中的真实维度效应，更为研究量子临界现象与反常金属态提供了一个高度可调、品质优异的二维实验平台。

持续“添砖加瓦”

本次成果不仅将高温超导推向了真正的单层极限，发现了前人未观测到的新现象，也为研究高温超导机制打下了扎实基础。

“我们的贡献可以说是往领域内‘添了一块砖’。”团队表示，这项研究首次在单铜氧面极限下同时实现了“干净的体系”和“精细的调控”，相当于提供了一个“可控变量”的实验平台，让研究者能系统追踪超导从无到有、从弱到强的完整转化路径。

高温超导从1986年发现至今已近四十年，机理仍未完全破解，但每一次对“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。

团队合影

复旦大学物理学系张远波教授、阮威教授和中国科学技术大学陈仙辉教授为论文的共同通讯作者。研究合作单位包括复旦大学、中国科学技术大学、英属哥伦比亚大学、浙江大学、中国人民大学、上海交通大学、中国科学院物理研究所、魏茨曼科学研究院、清华大学等。本研究得到了科技部国家重点研发计划、教育部基础学科和交叉学科突破计划、国家自然科学基金委员会原创探索计划、科技部重大项目、上海市科学技术委员会、新基石科学基金会等项目和单位的支持。