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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

首頁 > 科研進(jìn)展

壓力下銅氧化物超導(dǎo)體的2D-3D超導(dǎo)態(tài)躍變研究獲進(jìn)展

2019-12-30 物理研究所

【字體：大中小】

語音播報(bào)

　　這類超導(dǎo)體產(chǎn)生超導(dǎo)電性的基本單元是CuO₂面，其常態(tài)性能具有明顯的二維特點(diǎn)。由于二維超導(dǎo)電性的動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性導(dǎo)致其研究難度更大，因而已有報(bào)道的關(guān)于由二維到三維超導(dǎo)態(tài)躍變的實(shí)驗(yàn)研究極少，這些報(bào)道主要是利用具有足夠時(shí)間分辨能力的實(shí)驗(yàn)手段（如THz紅外光譜）來進(jìn)行的。最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員郭靜、博士周亞洲、博士生黃程、研究員孫力玲等與所內(nèi)及所外的其他研究人員合作，利用高壓下電阻和磁化率測量等綜合實(shí)驗(yàn)方法對(duì)具有強(qiáng)二維特性的最佳摻雜Bi-2212高溫超導(dǎo)體進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

　　他們首次采用了CuO₂“面內(nèi)-面間”的高壓原位電阻同步測量技術(shù)和“電阻-磁化率”一體化高壓原位測量技術(shù)。這些測量在技術(shù)上具有很強(qiáng)的挑戰(zhàn)性，在該研究中的成功應(yīng)用，標(biāo)志著物理研究所的這類高壓超導(dǎo)研究實(shí)驗(yàn)測量技術(shù)已達(dá)到國際最好水平。他們?cè)谧罴褤诫s的高溫超導(dǎo)體奇異金屬態(tài)中首次觀測到了壓力誘導(dǎo)的2D-3D超導(dǎo)態(tài)躍變的電阻與磁化率特征。分析表明該2D超導(dǎo)轉(zhuǎn)變表現(xiàn)出類似BKT轉(zhuǎn)變的行為。這些結(jié)果證明該類超導(dǎo)體中的奇異金屬態(tài)是由2D特性主導(dǎo)的。這一發(fā)現(xiàn)不僅為進(jìn)一步開展對(duì)高溫超體的深入研究，為理解超導(dǎo)電性的穩(wěn)定性與奇異量子態(tài)以及贗能隙、反常金屬態(tài)、摻雜量子相變等的關(guān)系提供了重要線索，而且為高溫超導(dǎo)機(jī)理的突破提供了新的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。該研究結(jié)果在《自然-物理》（Nature Physics）上在線發(fā)表。

　　研究樣品是由美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室顧根大研究組提供的高質(zhì)量單晶，他們的樣品多年來已被國內(nèi)外許多研究組利用不同的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行過研究。該研究的高壓同步輻射X射線結(jié)構(gòu)分析是在上海光源15U線站上完成的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了該研究測得的電阻-溫度曲線上的兩個(gè)電阻突降源于相同晶體結(jié)構(gòu)中二維超導(dǎo)態(tài)到三維超導(dǎo)態(tài)之間的轉(zhuǎn)變。

　　該項(xiàng)研究得到科技部（2017YFA0302900，2016YFA0300300，2017YFA0303103）、基金委（11427805, U1532267，11604376）、中科院B類先導(dǎo)專項(xiàng)（XDB25000000)和松山湖材料實(shí)驗(yàn)室的支持。

　　論文鏈接

　　銅氧化物高溫超導(dǎo)體奇異金屬態(tài)中壓力導(dǎo)致的2D-3D超導(dǎo)態(tài)躍變溫度-壓力相圖。(右下)平行-垂直CuO₂面電阻原位聯(lián)合測量和平行CuO₂面電阻-磁化率一體化原位測量。

　　自1986年發(fā)現(xiàn)銅氧化物高溫超導(dǎo)體以來，人們從實(shí)驗(yàn)和理論方面對(duì)其開展了廣泛的研究，取得了許多重大研究成果，但仍未實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫超導(dǎo)電性全面、統(tǒng)一的理解，高溫超導(dǎo)機(jī)理的破解仍被列為二十一世紀(jì)凝聚態(tài)物理研究的重大挑戰(zhàn)之一，人們期待著能在正確理論指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)具有更高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度且更適于應(yīng)用的超導(dǎo)體。空穴摻雜的銅氧化物超導(dǎo)體具有最高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，是高溫超導(dǎo)研究中最受關(guān)注的材料，關(guān)鍵是要理解超導(dǎo)態(tài)是如何從正常態(tài)中產(chǎn)生的。這些正常態(tài)包括贗能隙、反常費(fèi)米液體相和奇異金屬相等。其中，對(duì)奇異金屬相的研究占有特殊的重要地位，這不僅是由于其對(duì)應(yīng)著具有最高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的超導(dǎo)基態(tài)和產(chǎn)生費(fèi)米面重構(gòu)的臨界摻雜量子相變點(diǎn)，而且還連接著贗能隙和反常費(fèi)米液體態(tài)。
　　這類超導(dǎo)體產(chǎn)生超導(dǎo)電性的基本單元是CuO2面，其常態(tài)性能具有明顯的二維特點(diǎn)。由于二維超導(dǎo)電性的動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性導(dǎo)致其研究難度更大，因而已有報(bào)道的關(guān)于由二維到三維超導(dǎo)態(tài)躍變的實(shí)驗(yàn)研究極少，這些報(bào)道主要是利用具有足夠時(shí)間分辨能力的實(shí)驗(yàn)手段（如THz紅外光譜）來進(jìn)行的。最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心超導(dǎo)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員郭靜、博士周亞洲、博士生黃程、研究員孫力玲等與所內(nèi)及所外的其他研究人員合作，利用高壓下電阻和磁化率測量等綜合實(shí)驗(yàn)方法對(duì)具有強(qiáng)二維特性的最佳摻雜Bi-2212高溫超導(dǎo)體進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　他們首次采用了CuO2“面內(nèi)-面間”的高壓原位電阻同步測量技術(shù)和“電阻-磁化率”一體化高壓原位測量技術(shù)。這些測量在技術(shù)上具有很強(qiáng)的挑戰(zhàn)性，在該研究中的成功應(yīng)用，標(biāo)志著物理研究所的這類高壓超導(dǎo)研究實(shí)驗(yàn)測量技術(shù)已達(dá)到國際最好水平。他們?cè)谧罴褤诫s的高溫超導(dǎo)體奇異金屬態(tài)中首次觀測到了壓力誘導(dǎo)的2D-3D超導(dǎo)態(tài)躍變的電阻與磁化率特征。分析表明該2D超導(dǎo)轉(zhuǎn)變表現(xiàn)出類似BKT轉(zhuǎn)變的行為。這些結(jié)果證明該類超導(dǎo)體中的奇異金屬態(tài)是由2D特性主導(dǎo)的。這一發(fā)現(xiàn)不僅為進(jìn)一步開展對(duì)高溫超體的深入研究，為理解超導(dǎo)電性的穩(wěn)定性與奇異量子態(tài)以及贗能隙、反常金屬態(tài)、摻雜量子相變等的關(guān)系提供了重要線索，而且為高溫超導(dǎo)機(jī)理的突破提供了新的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。該研究結(jié)果在《自然-物理》（Nature Physics）上在線發(fā)表。
　　研究樣品是由美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室顧根大研究組提供的高質(zhì)量單晶，他們的樣品多年來已被國內(nèi)外許多研究組利用不同的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行過研究。該研究的高壓同步輻射X射線結(jié)構(gòu)分析是在上海光源15U線站上完成的，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了該研究測得的電阻-溫度曲線上的兩個(gè)電阻突降源于相同晶體結(jié)構(gòu)中二維超導(dǎo)態(tài)到三維超導(dǎo)態(tài)之間的轉(zhuǎn)變。
　　該項(xiàng)研究得到科技部（2017YFA0302900，2016YFA0300300，2017YFA0303103）、基金委（11427805, U1532267，11604376）、中科院B類先導(dǎo)專項(xiàng)（XDB25000000)和松山湖材料實(shí)驗(yàn)室的支持。
　　論文鏈接
　　銅氧化物高溫超導(dǎo)體奇異金屬態(tài)中壓力導(dǎo)致的2D-3D超導(dǎo)態(tài)躍變溫度-壓力相圖。(右下)平行-垂直CuO2面電阻原位聯(lián)合測量和平行CuO2面電阻-磁化率一體化原位測量。

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