Шаг к пределу: китайские учёные успешно получили высокотемпературный сверхпроводник с одним медью-кислородным слоем

В 1986 году Иоганнес Беднорц и Карл Александр Мюллер обнаружили высокотемпературную сверхпроводимость в оксиде лантана-бария-меди, открыв новое направление исследований. С тех пор изучено несколько десятков купратных систем: различаясь составом и критической температурой, все они обладают похожей слоистой структурой, где плоскости из атомов меди и кислорода чередуются с другими атомными слоями; вопрос о причинах высокотемпературной сверхпроводимости остаётся одним из самых важных и сложных в физике конденсированного состояния. Чжан Юаньбо, вернувшийся в Фудань в 2011 году после почти десяти лет работы с графеном и другими двумерными материалами, вместе с командой Чэнь Сянхуэй в 2015 году опубликовал в Nature Nanotechnology работу об управлении зарядом в двумерных материалах, а в 2019 году в Nature представил однослойный Bi-2212, подтвердивший двумерную теоретическую модель, однако в нём было две плоскости CuO2, чьё взаимодействие могло стабилизировать сверхпроводимость. Новый объект — Bi2Sr2CuO6+δ (Bi-2201) — содержит лишь одну плоскость CuO2: его оптимальная температура сверхпроводящего перехода примерно на 10% ниже, чем у объёмного материала, но физика сильных корреляций купратов полностью сохраняется. Команда получила полную фазовую диаграмму от моттовского изолятора до всего сверхпроводящего «купола» и при температуре около 100 мК (вблизи абсолютного нуля) исследовала квантовую критическую область перехода «сверхпроводник — изолятор»: универсальное скейлинговое поведение вблизи традиционной квантовой критической точки нарушается, а эффективный критический показатель быстро расходится — типичная квантовая сингулярность Гриффитса. Кроме того, в пределе абсолютного нуля между сверхпроводником и изолятором возникает аномальное металлическое состояние: при понижении температуры сопротивление стремится к ненулевому стабильному значению, что отличается и от нулевого сопротивления сверхпроводника, и от роста сопротивления изолятора при охлаждении. По словам Жуань Вэя, такое состояние достигается как снижением дырочного легирования, так и внешним перпендикулярным магнитным полем, что согласуется с картиной «бозонного металла»: высокотемпературная сверхпроводимость возникает из безщелевой несверхтекучей двумерной бозонной системы через квантовый фазовый переход.

С методической точки зрения работа потребовала многолетних проб и ошибок: однослойные двумерные высокотемпературные сверхпроводники крайне хрупки и портятся на воздухе от следов влаги, а нагрев приводит к потере кислорода и изменению свойств. Команда перенесла всю исследовательскую систему, созданную для графена, в атмосферу аргона при температуре минус 40 °C и самостоятельно разработала технологию холодной сварки микроэлектродов, позволяющую подключать электроды к тонкому образцу без нагрева. Для Bi-2201 главной сложностью стало управление in situ при экстремально низких температурах: поскольку плоскость CuO2 всего одна, однослойный Bi-2201 продемонстрировал беспрецедентные возможности по диапазону и точности регулирования носителей заряда. Команда разработала технологию in situ легирования в среде озона с обратимым регулированием содержания кислорода, достигнув разрешения по легированию δp ≈ 0,0005 — примерно один дырочный носитель на 2000 атомов меди. Чжан Юаньбо подчёркивает, что без этих приборов и методов не удалось бы довести толщину купрата до истинно однослойной структуры и провести предельную проверку его сверхпроводящих свойств. Помимо научных результатов, команда с 2019 года открыто делится технологиями приготовления и протоколами работы с коллегами из других китайских и зарубежных групп, а созданная экспериментальная система может применяться к другим двумерным материалам и новым способам управления, приближая исследователей к разгадке механизма высокотемпературной сверхпроводимости.

Полный текст статьи доступен по DOI: 10.1038/s41586-026-10857-1.