单层铜氧平面的高温超导材料

原子级厚度的范德华晶体代表了二维材料的理想体系。维度降低往往带来重要物理效应，例如石墨烯等二维材料中因栅极调控而展现出的新奇物理现象。此前研究已表明，铜基高温超导体（如铜氧化物）的核心物理机制其实就蕴藏在最核心的两层CuO₂平面内。本研究将维度压缩推向极致：首次制备并系统研究了仅含单一层CuO₂平面的Bi₂Sr₂CuO₆₊δ（简称Bi-2201）单层薄膜。结果发现，在这种终极二维极限下，存在显著的维度效应——最优超导转变温度（Tc）稳定下降约10%。更重要的是，单层结构带来了前所未有的可调控性：研究人员通过精细调控单层样品中的氧含量，成功将Bi-2201的相图拓展至此前从未探索过的区域。利用这一优势，他们首次在单层Bi-2201中发现：当温度趋近于绝对零度时，系统并非直接从超导态跃变为绝缘态，而是在二者之间出现了一个稳定的‘反常金属态’——该态既不超导也不绝缘，电阻随温度降低不再趋于零或无穷大，而是呈现饱和或缓慢变化行为。与此同时，研究还观察到一种反常的标度行为：描述相变临界点的临界指数随调控参数变化而发散（即趋向无穷大），这与传统相变理论预期截然不同。这些发现共同阐明了铜氧化物高温超导体中‘超导—绝缘量子相变’的真实物理图像，表明该相变并非简单的二元切换，而涉及一个中间的、具有独特量子特性的新物态，为理解高温超导机制和开发新型量子器件提供了关键实验依据。