自1986年Bednortz和Müller發現銅氧化物高溫超導以來，三十五年已經過去了，但作為凝聚態物理學最重要科學難題之一的高溫超導機理至今仍然沒有得到解決，甚至在最基本的科學問題比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問題，我校校長、中科院院士薛其坤和清華大學副教授張定研究團隊，與國內外的研究者合作，通過制備具有原子級平整界面的高質量約瑟夫森結，發現銅氧化物中s-波配對占主導地位。這個結果顛覆了銅基高溫超導是d-波配對的主流認識。該研究不單是銅氧化物高溫超導研究的一個重大進展，同時也為破解高溫超導機理這一科學難題指明了正確方向。該研究成果以“轉角超薄鉍鍶鈣銅氧約瑟夫森結中的s波配對”(Presence of s-wave pairing in Josephson junctions made of twisted ultrathin Bi2Sr2CaCu2O8+x flakes)為題在線發表在7月15日的Physical Review X上。

超導作為一種宏觀量子現象，其量子態的波函數在理論上可以分為s波、p波和d波等。與氫原子波函數的空間分布相似，s波超導各向同性，角動量量子數為0，而p波和d波的超導波函數具有空間各向異性。其中，d波的角動量量子數為2，其振幅的空間分布像四朵花瓣一樣（以dx2-y2波為例），而且從一個花瓣轉向近鄰花瓣時會發生由相位引起的變號。相比于常規超導體的s波配對，多數人認為銅氧化物超導具有d波配對對稱性。然而，這一觀點也受到了一系列新的挑戰。比如，薛其坤教授團隊利用掃描隧道顯微鏡直接測量銅氧化物的超導層時發現其超導能隙符合s波超導的U型，而非d波的V型。不過，區分s波與d波的最關鍵信息來自于超導波函數的相位，即前述的變號行為。此前人們通過兩個或三個超導體組成花瓣平面內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、化學配比劇烈變化等問題，這都使得實驗結果存在著不確定性。

相比于此，由于銅氧化物超導具有二維層狀結構，將其沿縱向拼接而成的約瑟夫森結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體為例（圖1），該銅氧化物具有層狀結構，縱向由超導的銅氧層與不超導的鉍氧/鍶氧層交替堆疊而成?？v向拼接而成的約瑟夫森結是判定配對對稱性中相位的一種理想結構。其原理是，如果將兩個d波超導體沿垂直于其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體相對旋轉45度時下降到零，而兩個s波超導體在此情況下仍然存在約瑟夫森耦合。過去，人們曾構筑過這樣的縱向約瑟夫森結對銅基高溫超導的相位問題開展過研究，但沒有得到一致的結果：有的實驗支持s波，有的支持d波。造成這個結果的主要原因是兩個超導體構成的約瑟夫森結的界面質量不夠高，而且實驗結果中混入了其它約瑟夫森耦合的信號—單邊的超導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是關鍵。

圖1 高溫超導轉角約瑟夫森結原子結構示意圖。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45度。右側插圖表示s波配對中相位在空間中保持相同符號。

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量約瑟夫森結，并且能將兩邊超導層的相對轉角進行精確地控制。在這些高質量樣品中，他們觀察到參與隧穿過程的只有相對發生旋轉的兩個超導層，避免了本征約瑟夫森結造成的復雜性。通過這種高度精確人為可控的相位敏感測量，他們發現在相對角度旋轉到45度時，兩片鉍鍶鈣銅氧超導在縱向仍然存在約瑟夫森耦合，而且耦合強度與轉角為0度時可比擬，這說明配對對稱性是s波。這個結果清楚表明，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體系，那么這將是三十多年高溫超導機理研究的一個轉折點，為最終解決高溫超導機理走出了最關鍵的一步。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間的約瑟夫森耦合進行強力攻關。

這一突破的取得是團隊成員潛心攻關和精誠合作的結果。薛其坤院士、張定副教授為本論文的通訊作者。北京量子信息科學研究院助理研究員朱玉瑩（原清華大學物理系博士后）作為文章的共同第一作者，在加入團隊的四年里，雖未發表一篇作為主要作者的文章，依然心無旁騖、刻苦攻關。她與清華大學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，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質量的晶體，共嘗試了近800多個薄膜樣品，制備和測試了300多個具有不同轉角的約瑟夫森結。為了驗證人工約瑟夫森結的質量，需要獲得原子結構的信息，這得到了中科院物理所谷林研究組的全力支持。中科院物理所副研究員張慶華（共同第一作者）對數十個約瑟夫森結樣品開展了精細的結構表征，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大學物理系季帥華教授、姜開利教授、馬旭村教授，以及該系博士生劉耀伍、柏中華與張金，北京量子信息科學研究院副研究員解宏毅，中科院物理所博士生孟繁琦，美國布魯克海文國家實驗室Ruidan Zhong和John Schneeloch等。該研究得到了國家科技部、自然科學基金委員會、清華大學低維量子物理國家重點實驗室、北京未來芯片技術高精尖創新中心等的經費支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.031011