自1986年Bednortz和Müller發(fā)現(xiàn)銅氧化物高溫超導(dǎo)以來，三十五年已經(jīng)過去了，但作為凝聚態(tài)物理學(xué)最重要科學(xué)難題之一的高溫超導(dǎo)機理至今仍然沒有得到解決，甚至在最基本的科學(xué)問題，如配對對稱性上也尚未達成共識。針對配對對稱性這一核心科學(xué)問題，清華物理系張定副教授、薛其坤教授帶領(lǐng)的研究團隊與國內(nèi)外同事合作，通過制備具有原子級平整界面的高質(zhì)量約瑟夫森結(jié)，發(fā)現(xiàn)銅氧化物中s-波配對占主導(dǎo)地位。這個結(jié)果顛覆了銅基高溫超導(dǎo)是d-波配對的主流認識。該工作不但是銅氧化物高溫超導(dǎo)研究的一個重大進展，同時也為破解高溫超導(dǎo)機理這一科學(xué)難題指明了正確方向。該研究成果以“轉(zhuǎn)角超薄鉍鍶鈣銅氧約瑟夫森結(jié)中的s波配對”(Presence of?s-wave pairing in Josephson junctions made of twisted ultrathin Bi2Sr2CaCu2O8+x?flakes)為題在線發(fā)表在7月15日的《物理評論X》（Physical Review X）上。

超導(dǎo)作為一種宏觀量子現(xiàn)象，其量子態(tài)的波函數(shù)在理論上可以分為s波、p波和d波等。與氫原子波函數(shù)的空間分布相似，s波超導(dǎo)各向同性，角動量量子數(shù)為0，而p波和d波的超導(dǎo)波函數(shù)具有空間各向異性。其中，d波的角動量量子數(shù)為2，其振幅的空間分布像四朵花瓣一樣（以dx2-y2波為例），而且從一個花瓣轉(zhuǎn)向近鄰花瓣時會發(fā)生由相位引起的變號。相比于常規(guī)超導(dǎo)體的s波配對，多數(shù)人認為銅氧化物超導(dǎo)具有d波配對對稱性。然而，這一觀點也受到了一系列新的挑戰(zhàn)。比如，薛其坤教授團隊利用掃描隧道鏡直接測量銅氧化物的超導(dǎo)層時發(fā)現(xiàn)其超導(dǎo)能隙符合s波超導(dǎo)的U型，而非d波的V型。不過，區(qū)分s波與d波的最關(guān)鍵信息來自于超導(dǎo)波函數(shù)的相位，即前述的變號行為。此前人們通過兩個或三個超導(dǎo)體組成花瓣平面內(nèi)的約瑟夫森耦合開展了相位測量。但是，將多個晶體進行橫向的拼接，往往存在拼接處—晶界—的晶格畸變、多晶面交替出現(xiàn)、化學(xué)配比劇烈變化等問題，這都使得實驗結(jié)果存在著不確定性。

圖1 高溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)角約瑟夫森結(jié)原子結(jié)構(gòu)示意圖。圖中藍、綠、紅、黃、黑色小球分別代表鉍、鍶、鈣、銅、氧原子。上半部分半個原胞相對下半部分旋轉(zhuǎn)45度。右側(cè)插圖表示s波配對中相位在空間中保持相同符號。

相比于此，由于銅氧化物超導(dǎo)具有二維層狀結(jié)構(gòu)，將其沿縱向拼接而成的約瑟夫森結(jié)就有望形成原子級平整的界面。以最典型的鉍鍶鈣銅氧高溫超導(dǎo)體為例（圖1），該銅氧化物具有層狀結(jié)構(gòu)，縱向由超導(dǎo)的銅氧層與不超導(dǎo)的鉍氧/鍶氧層交替堆疊而成。縱向拼接而成的約瑟夫森結(jié)是判定配對對稱性中相位的一種理想結(jié)構(gòu)。其原理是，如果將兩個d波超導(dǎo)體沿垂直于其d波花瓣平面的方向即縱向進行約瑟夫森耦合時，其耦合強度將在兩個超導(dǎo)體相對旋轉(zhuǎn)45度時下降到零，而兩個s波超導(dǎo)體在此情況下仍然存在約瑟夫森耦合。過去，人們曾構(gòu)筑過這樣的縱向約瑟夫森結(jié)對銅基高溫超導(dǎo)的相位問題開展過研究，但沒有得到一致的結(jié)果：有的實驗支持s波，有的支持d波。造成這個結(jié)果的主要原因是兩個超導(dǎo)體構(gòu)成的約瑟夫森結(jié)的界面質(zhì)量不夠高，而且實驗結(jié)果中混入了其它約瑟夫森耦合的信號—單邊的超導(dǎo)體中也存在本征的縱向約瑟夫森耦合。因此，制備原子級平整、宏觀均勻的單一約瑟夫森結(jié)是關(guān)鍵。

張定副教授、薛其坤教授帶領(lǐng)研究團隊成功制備出了超薄的具有原子級平整界面的高質(zhì)量約瑟夫森結(jié)，并且能將兩邊超導(dǎo)層的相對轉(zhuǎn)角進行精確地控制。在這些高質(zhì)量樣品中，他們觀察到參與隧穿過程的只有相對發(fā)生旋轉(zhuǎn)的兩個超導(dǎo)層，避免了本征約瑟夫森結(jié)造成的復(fù)雜性。通過這種高度精確人為可控的相位敏感測量，他們發(fā)現(xiàn)在相對角度旋轉(zhuǎn)到45度時，兩片鉍鍶鈣銅氧超導(dǎo)在縱向仍然存在約瑟夫森耦合，而且耦合強度與轉(zhuǎn)角為0度時可比擬，這說明配對對稱性是s波。這個結(jié)果清楚表明，目前主流的d波配對理論并不適用鉍鍶鈣銅氧高溫超導(dǎo)體系。如果這一實驗得到進一步驗證，并且推廣到其它銅氧化物高溫超導(dǎo)體系，那么這將是三十多年高溫超導(dǎo)機理研究的一個轉(zhuǎn)折點，為最終解決高溫超導(dǎo)機理走出了最關(guān)鍵的一步。為了最終確認s波配對對稱性，研究團隊目前正在瞄準原子極限下兩個單層銅氧化物超導(dǎo)間的約瑟夫森耦合——進行強力攻關(guān)。

這一突破的取得是團隊成員潛心攻關(guān)和精誠合作的結(jié)果。北京量子信息科學(xué)研究院（量子院）助理研究員朱玉瑩（清華大學(xué)物理系原博士后）作為文章的共同第一作者，在加入團隊后的四年中未發(fā)表一篇作為主要作者的文章，心無旁騖、刻苦攻關(guān)。她與清華大學(xué)物理系博士生廖孟涵（共同第一作者），在開展該研究的五年內(nèi)，利用美國布魯克海文國家實驗室Genda Gu教授研究組提供的最優(yōu)質(zhì)量的晶體，共嘗試了近800多個薄膜樣品，制備和測試了300多個具有不同轉(zhuǎn)角的約瑟夫森結(jié)。為了驗證人工約瑟夫森結(jié)的質(zhì)量，需要獲得原子結(jié)構(gòu)的信息，這得到了中科院物理所谷林研究組的全力支持。物理所張慶華副研究員（共同第一作者）對數(shù)十個約瑟夫森結(jié)樣品開展了精細的結(jié)構(gòu)表征，證明了其具有宏觀大范圍原子級平整的晶界。參與該研究的合作者還包括清華物理系博士生劉耀伍與柏中華、季帥華教授、姜開利教授、馬旭村教授，量子院解宏毅副研究員，物理所孟繁琦博士生，美國布魯克海文國家實驗室Ruidan Zhong和John Schneeloch等。該工作得到了國家科技部、自然科學(xué)基金委員會、清華大學(xué)低維量子物理國家重點實驗室、北京未來芯片技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心等的經(jīng)費支持。

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