近日，北京量子信息科学研究院（简称“量子院”）/清华大学高温超导团队在高温超导机理研究中取得重要进展，发现了铋锶镧铜氧化合物转角单层铜氧面之间显著的约瑟夫森隧穿。2023年8月25日，该研究成果以《铋锶镧铜氧化合物转角单层铜氧面之间显著的约瑟夫森隧穿》（“Prominent Josephson tunneling between twisted single copper oxide planes of Bi₂Sr_2-xLa_xCuO_6+y”）为题在线发表在《自然 · 通讯》（Nature Communications）上。

随着新超导材料的涌现，超导研究获得了学术界极大关注。铜氧化物高温超导材料虽然已被发现30多年，但仍然保持在常压下最高超导转变温度的纪录。可以说，突破这一纪录的关键在于搞清楚铜氧化物超导的配对机理，从而为寻找新的超导材料提供指导。清华大学物理系副教授、量子院兼聘研究员张定和清华大学物理系教授、量子院院长、南方科技大学校长薛其坤的研究团队长期致力于高温超导机理实验研究，在超导配对对称性探测上独辟蹊径，率先利用范德瓦尔斯堆垛技术制备出了原子级平整、角度精确可控的转角铜氧化物约瑟夫森结，开展了直接判定超导配对波函数相位部分的实验[Y. Zhu, et al., Physical Review X 11, 031011 (2021)]，推动了这一方向理论和实验上的快速发展。

近两年来，国际上一些知名理论学家针对清华大学/量子院研究团队发展出的实验体系，提出其可能演生出新的配对形式，即d+id波配对。这不同于常见的s波和d波配对。理论学家还基于该转角铜氧化物双层体系，提出了在液氮温区实现马约纳拉零能模的方案。这使得检验d+id波这一奇特配对形式更加紧迫。为此，实验上需要构建出具有高均匀度的约瑟夫森结并测量磁场下的夫琅禾费衍射图案。在超导约瑟夫森结中，决定其均匀性的关键参数是穿透深度（约瑟夫森穿透深度）。这一参数在研究团队此前研究的铋锶钙铜氧超导体中仅有几百纳米，远远小于样品实际尺寸。为解决这一技术难点，研究团队选用了中国科学院物理所周兴江研究组提供的高质量铋锶镧铜氧超导单晶。在这一单铜氧层高温超导的材料中，约瑟夫森穿透深度提高了一个数量级，达到了几个微米。利用这一材料，研究团队针对性地开发出了相关微纳加工工艺，成功制备了结区尺寸与约瑟夫森穿透深度一致的样品，得以对理论预言开展实验检验。

为了获得夫琅禾费图案，团队还自行设计搭建了原位压电旋转装置，通过细致调节保证了样品与磁场精确平行，测量出了符合标准衍射公式的隧穿电流随平行磁场的调制行为。值得注意的是，研究团队还观测到了由于约瑟夫森结自发电磁辐射而导致的交流约瑟夫森效应，表现为电流-电压曲线上分离的电压台阶。实验上获得了罕见的高达五个级次的电压台阶，说明样品具有很高的质量。这一结论也得到了清华大学材料学院朱静院士团队和谷林教授研究组高分辨原子结构分析印证。重要的是，该实验通过隧穿电流随温度的演化、夫琅禾费图案、交流约瑟夫森效应对d+id波配对的三个预言进行了逐一检验，发现它们都不符合这一理论的预期，而是表现出常规配对应有的行为。因此，该研究工作从实验上对最新理论提出了严重质疑，进一步印证了研究团队前期工作的核心发现，即转角铜氧化物约瑟夫森结中表现出各向同性的配对。

左：转角铋锶镧铜氧约瑟夫森结示意图；右：实验测量得到的其中一个夫琅禾费衍射图案

该研究成果第一作者为清华大学物理系汪恒博士（2023届毕业生，目前在南方科技大学做博士后），通讯作者是量子院朱玉莹副研究员、清华大学物理系张定副教授（量子院兼聘研究员）和薛其坤院士（量子院院长）。该研究的合作者包括清华大学物理系博士生柏中华、胡塾绪，以及胡小鹏博士，清华大学材料学院王泽朝博士、谷林教授和朱静院士，量子院崔健、黄妙玲高级工程师、解宏毅副研究员、北京大学物理学院陈剑豪研究员（量子院兼聘研究员）、中国科学院物理所丁颖博士、李欣岩博士、赵林副研究员、张庆华副研究员和周兴江研究员。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、北京市自然科学基金委、清华大学低维量子物理国家重点实验室经费支持。

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