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张定、薛其坤研究团队在高温超导机理研究中取得重大突破

清华新闻网717日电 自1986年Bednortz和Müller发现铜氧化物高温超导以来,三十五年已经过去了,但作为凝聚态物理学最重要科学难题之一的高温超导机理至今仍然没有得到解决,甚至在最基本的科学问题,如配对对称性上也尚未达成共识。针对配对对称性这一核心科学问题,清华物理系张定副教授、薛其坤教授带领的研究团队与国内外同事合作,通过制备具有原子级平整界面的高质量约瑟夫森结,发现铜氧化物中s-波配对占主导地位。这个结果颠覆了铜基高温超导是d-波配对的主流认识。该工作不但是铜氧化物高温超导研究的一个重大进展,同时也为破解高温超导机理这一科学难题指明了正确方向。该研究成果以“转角超薄铋锶钙铜氧约瑟夫森结中的s波配对”(Presence of s-wave pairing in Josephson junctions made of twisted ultrathin Bi2Sr2CaCu2O8+x flakes)为题在线发表在7月15日的《物理评论X》(Physical Review X)上。

超导作为一种宏观量子现象,其量子态的波函数在理论上可以分为s波、p波和d波等。与氢原子波函数的空间分布相似,s波超导各向同性,角动量量子数为0,而p波和d波的超导波函数具有空间各向异性。其中,d波的角动量量子数为2,其振幅的空间分布像四朵花瓣一样(以dx2-y2波为例),而且从一个花瓣转向近邻花瓣时会发生由相位引起的变号。相比于常规超导体的s波配对,多数人认为铜氧化物超导具有d波配对对称性。然而,这一观点也受到了一系列新的挑战。比如,薛其坤教授团队利用扫描隧道镜直接测量铜氧化物的超导层时发现其超导能隙符合s波超导的U型,而非d波的V型。不过,区分s波与d波的最关键信息来自于超导波函数的相位,即前述的变号行为。此前人们通过两个或三个超导体组成花瓣平面内的约瑟夫森耦合开展了相位测量。但是,将多个晶体进行横向的拼接,往往存在拼接处—晶界—的晶格畸变、多晶面交替出现、化学配比剧烈变化等问题,这都使得实验结果存在着不确定性。


图1 高温超导转角约瑟夫森结原子结构示意图。图中蓝、绿、红、黄、黑色小球分别代表铋、锶、钙、铜、氧原子。上半部分半个原胞相对下半部分旋转45度。右侧插图表示s波配对中相位在空间中保持相同符号。

相比于此,由于铜氧化物超导具有二维层状结构,将其沿纵向拼接而成的约瑟夫森结就有望形成原子级平整的界面。以最典型的铋锶钙铜氧高温超导体为例(图1),该铜氧化物具有层状结构,纵向由超导的铜氧层与不超导的铋氧/锶氧层交替堆叠而成。纵向拼接而成的约瑟夫森结是判定配对对称性中相位的一种理想结构。其原理是,如果将两个d波超导体沿垂直于其d波花瓣平面的方向即纵向进行约瑟夫森耦合时,其耦合强度将在两个超导体相对旋转45度时下降到零,而两个s波超导体在此情况下仍然存在约瑟夫森耦合。过去,人们曾构筑过这样的纵向约瑟夫森结对铜基高温超导的相位问题开展过研究,但没有得到一致的结果:有的实验支持s波,有的支持d波。造成这个结果的主要原因是两个超导体构成的约瑟夫森结的界面质量不够高,而且实验结果中混入了其它约瑟夫森耦合的信号—单边的超导体中也存在本征的纵向约瑟夫森耦合。因此,制备原子级平整、宏观均匀的单一约瑟夫森结是关键。

张定副教授、薛其坤教授带领研究团队成功制备出了超薄的具有原子级平整界面的高质量约瑟夫森结,并且能将两边超导层的相对转角进行精确地控制。在这些高质量样品中,他们观察到参与隧穿过程的只有相对发生旋转的两个超导层,避免了本征约瑟夫森结造成的复杂性。通过这种高度精确人为可控的相位敏感测量,他们发现在相对角度旋转到45度时,两片铋锶钙铜氧超导在纵向仍然存在约瑟夫森耦合,而且耦合强度与转角为0度时可比拟,这说明配对对称性是s波。这个结果清楚表明,目前主流的d波配对理论并不适用铋锶钙铜氧高温超导体系。如果这一实验得到进一步验证,并且推广到其它铜氧化物高温超导体系,那么这将是三十多年高温超导机理研究的一个转折点,为最终解决高温超导机理走出了最关键的一步。为了最终确认s波配对对称性,研究团队目前正在瞄准原子极限下两个单层铜氧化物超导间的约瑟夫森耦合——进行强力攻关。

这一突破的取得是团队成员潜心攻关和精诚合作的结果。北京量子信息科学研究院(量子院)助理研究员朱玉莹(清华大学物理系原博士后)作为文章的共同第一作者,在加入团队后的四年中未发表一篇作为主要作者的文章,心无旁骛、刻苦攻关。她与清华大学物理系博士生廖孟涵(共同第一作者),在开展该研究的五年内,利用美国布鲁克海文国家实验室Genda Gu教授研究组提供的最优质量的晶体,共尝试了近800多个薄膜样品,制备和测试了300多个具有不同转角的约瑟夫森结。为了验证人工约瑟夫森结的质量,需要获得原子结构的信息,这得到了中科院物理所谷林研究组的全力支持。物理所张庆华副研究员(共同第一作者)对数十个约瑟夫森结样品开展了精细的结构表征,证明了其具有宏观大范围原子级平整的晶界。参与该研究的合作者还包括清华物理系博士生刘耀伍与柏中华、季帅华教授、姜开利教授、马旭村教授,量子院解宏毅副研究员,物理所孟繁琦博士生,美国布鲁克海文国家实验室Ruidan Zhong和John Schneeloch等。该工作得到了国家科技部、自然科学基金委员会、清华大学低维量子物理国家重点实验室、北京未来芯片技术高精尖创新中心等的经费支持。

论文链接:

https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.031011

供稿:物理系

编辑:李华山

审核:田姬熔

2021年07月17日 13:00:42

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