南科大校长薛其坤团队与国内外研究者合作在高温超导机理研究中取得重大突破

读特客户端·深圳新闻网2021年7月19日讯（记者 梁榆其）7月19日，记者从南方科技大学（以下简称“南科大”）了解到，该校校长、中科院院士薛其坤和清华大学副教授张定研究团队，与国内外的研究者合作，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。该研究不单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Physical Review X上。

据介绍，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。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。

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。

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。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，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。

据了解，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。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比如配对对称性上也尚未达成共识。

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。