清華新聞網(wǎng)9月1日電 隨著新超導(dǎo)材料的涌現(xiàn)，超導(dǎo)研究獲得了學(xué)術(shù)界極大關(guān)注。銅氧化物高溫超導(dǎo)材料雖然已被發(fā)現(xiàn)30余年，但仍然保持了常壓下最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的紀(jì)錄。可以說(shuō)，突破這一紀(jì)錄的關(guān)鍵在于搞清楚銅氧化物超導(dǎo)的配對(duì)機(jī)理，從而為尋找新的超導(dǎo)材料提供指導(dǎo)。清華大學(xué)物理系張定、薛其坤研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于高溫超導(dǎo)機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究，在超導(dǎo)配對(duì)對(duì)稱(chēng)性探測(cè)上獨(dú)辟蹊徑，率先利用范德瓦爾斯堆垛技術(shù)制備出了原子級(jí)平整、角度精確可控的轉(zhuǎn)角銅氧化物約瑟夫森結(jié)，開(kāi)展了直接判定超導(dǎo)配對(duì)波函數(shù)相位部分的實(shí)驗(yàn)，推動(dòng)了這一方向理論和實(shí)驗(yàn)上的快速發(fā)展。
近兩年來(lái)，國(guó)際上一些知名理論學(xué)家針對(duì)清華研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展出的實(shí)驗(yàn)體系，提出其可能演生出新的配對(duì)形式，即d+id波配對(duì)。這不同于常見(jiàn)的s波和d波配對(duì)。理論學(xué)家還基于該轉(zhuǎn)角銅氧化物雙層體系，提出了在液氮溫區(qū)實(shí)現(xiàn)馬約納拉零能模的方案。這使得檢驗(yàn)d+id波這一奇特配對(duì)形式更加緊迫。為此，實(shí)驗(yàn)上需要構(gòu)建出具有高均勻度的約瑟夫森結(jié)并測(cè)量磁場(chǎng)下的夫瑯禾費(fèi)衍射圖案。在超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)中，決定其均勻性的關(guān)鍵參數(shù)是穿透深度（約瑟夫森穿透深度）。這一參數(shù)在研究團(tuán)隊(duì)此前研究的鉍鍶鈣銅氧超導(dǎo)體中僅有幾百納米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于樣品實(shí)際尺寸。為了解決這一技術(shù)難點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)果斷選用了中國(guó)科學(xué)院物理研究所周興江研究組提供的高質(zhì)量鉍鍶鑭銅氧超導(dǎo)單晶。在這一單銅氧層高溫超導(dǎo)的材料中，約瑟夫森穿透深度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到了幾個(gè)微米。利用這一材料，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)性地開(kāi)發(fā)出了相關(guān)微納加工工藝，成功制備了結(jié)區(qū)尺寸與約瑟夫森穿透深度一致的樣品，得以對(duì)理論預(yù)言開(kāi)展實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。
左：轉(zhuǎn)角鉍鍶鑭銅氧約瑟夫森結(jié)示意圖；右：實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的其中一個(gè)夫瑯禾費(fèi)衍射圖案
為了獲得夫瑯禾費(fèi)圖案，團(tuán)隊(duì)還自行設(shè)計(jì)搭建了原位壓電旋轉(zhuǎn)裝置，通過(guò)細(xì)致調(diào)節(jié)保證了樣品與磁場(chǎng)精確平行，測(cè)量出了符合標(biāo)準(zhǔn)衍射公式的隧穿電流隨平行磁場(chǎng)的調(diào)制行為。值得注意的是，研究團(tuán)隊(duì)還觀(guān)測(cè)到了由于約瑟夫森結(jié)自發(fā)電磁輻射而導(dǎo)致的交流約瑟夫森效應(yīng)，表現(xiàn)為電流-電壓曲線(xiàn)上分離的電壓臺(tái)階。實(shí)驗(yàn)上獲得了罕見(jiàn)的高達(dá)五個(gè)級(jí)次的電壓臺(tái)階，說(shuō)明樣品具有很高的質(zhì)量。這一結(jié)論也得到了清華大學(xué)材料學(xué)院朱靜院士團(tuán)隊(duì)和谷林教授研究組高分辨原子結(jié)構(gòu)分析的印證。重要的是，該實(shí)驗(yàn)通過(guò)隧穿電流隨溫度的演化、夫瑯禾費(fèi)圖案、交流約瑟夫森效應(yīng)對(duì)d+id波配對(duì)的三個(gè)預(yù)言進(jìn)行了逐一檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)它們都不符合這一理論的預(yù)期，而是表現(xiàn)出常規(guī)配對(duì)應(yīng)有的行為。因此，該研究工作從實(shí)驗(yàn)上對(duì)最新理論提出了嚴(yán)重質(zhì)疑，進(jìn)一步印證了研究團(tuán)隊(duì)前期工作的核心發(fā)現(xiàn)，即轉(zhuǎn)角銅氧化物約瑟夫森結(jié)中表現(xiàn)出各向同性的配對(duì)。
該研究成果以“鉍鍶鑭銅氧化合物轉(zhuǎn)角單層銅氧面之間顯著的約瑟夫森隧穿”（Prominent Josephson tunneling between twisted single copper oxide planes of Bi2Sr2-xLaxCuO6+y）為題在線(xiàn)發(fā)表在8月25日的《自然·通訊》（Nature Communications）上。
文章的第一作者為清華大學(xué)物理系汪恒博士（2023屆畢業(yè)生，目前在南方科技大學(xué)做博士后），通訊作者為北京量子信息科學(xué)研究院朱玉瑩副研究員、清華大學(xué)物理系張定副教授和薛其坤教授。該研究的合作者包括清華大學(xué)物理系2018級(jí)博士生柏中華、胡塾緒，以及胡小鵬高級(jí)工程師，清華大學(xué)材料學(xué)院王澤朝博士（2023屆博士生）、谷林教授和朱靜院士，北京量子信息科學(xué)研究院崔健、黃妙玲高級(jí)工程師、解宏毅副研究員，北京大學(xué)物理學(xué)院陳劍豪研究員，中國(guó)科學(xué)院物理研究所丁穎博士（2018屆畢業(yè)生）、李欣巖博士（2023屆畢業(yè)生）、趙林副研究員、張慶華副研究員和周興江研究員。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家科技部、北京市自然科學(xué)基金委、清華大學(xué)低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：
https://rdcu.be/dkohp
供稿：物理系
題圖設(shè)計(jì)：任帥
編輯：李華山
審核：郭玲
