Физики получили двумерный сверхпроводящий купрат с единственной плоскостью CuO₂

Китайские физики изготовили сверхпроводящий купрат Bi₂Sr₂CuO_6+δ толщиной в один атомный слой, содержащий единственную плоскость CuO₂. В таком предельном двумерном пределе критическая температура сверхпроводящего перехода снизилась на 3,5 кельвина (примерно на 10 процентов), а между моттовским диэлектриком и сверхпроводником возникло аномальное металлическое состояние с конечным сопротивлением, которое сохранялось при охлаждении до примерно 100 милликельвин. Статья опубликована в Nature. 

Купраты (смешанные оксиды и соли, в которых медь связана с кислородом и находится в анионе) — один из важнейших классов высокотемпературных сверхпроводников. Рекорд для сверхпроводника при обычном давлении — 133 кельвина — с 1993 года принадлежит купрату HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+δ. Весной 2026 года американские физики получили в этом же веществе сверхпроводящее состояние при температуре 151 кельвин. Для этого ученые сначала сжимали образец при температуре 4,2 кельвина, а затем быстро сбрасывали давление и начинали поднимать температуру. Однако сверхпроводимость при 151 кельвине удалось зарегистрировать только в одном образце из четырех, а почему, ученые до сих пор точно не знают. Между тем, понимание этого механизма может помочь в поиске материалов с еще более высокой температурой перехода — в перспективе до комнатной.

Известно, что купраты имеют слоистую структуру, а сверхпроводимость возникает в плоскостях CuO₂, где при допировании появляются дырки. Однако самые тонкие образцы, исследованные ранее, содержали как минимум две такие плоскости. Поэтому оставалось неясным, как будет вести себя сверхпроводимость в двумерном пределе, то есть в материале с единственной плоскостью CuO₂.

Разобраться в вопросе решили китайские физики под руководством Юаньбо Чжана Юаньбо (Yuanbo Zhang) из Фуданьского университета. Ученые изучали купрат Bi-2201 состава Bi₂Sr₂CuO_6+δ с температурой сверхпроводящего перехода в 34,6 кельвина. В качестве исходного материала исследователи использовали объемные кристаллы Bi₂Sr_2-xLa_xCuO_6+δ с x = 0,4. Это позволило избежать избытка кислорода в свежевыращенном Bi-2201. Монослойные хлопья отделяли механическим расслоением — почти так, как впервые получили графен. Затем с помощью холодной сварки в инертной атмосфере нанесли контакты из золота и индия. Это было нужно, чтобы сохранить количество кислорода в купрате неизменным — не добавить лишнего и не потерять уже имеющийся.

Сканирующая туннельная микроскопия показала, что переход к единственной плоскости CuO₂ не разрушил характерные коррелированные состояния купратов. В образце наблюдались сверхпроводящая щель, псевдощель и зарядовый порядок, а электронная структура менялась при легировании так же, как в объемном Bi-2201. Температура сверхпроводящего перехода уменьшилась, но незначительно — с 34,6 до 31,1 кельвина. 

Переход к монослою позволил провести серию измерений с разным количеством дырок. Фактически Чжан и его коллеги меняли параметр δ в формуле  Bi₂Sr₂CuO_6+δ: для этого кислород удаляли с помощью отжига в вакууме и возвращали с помощью отжига в атмосфере озона. Оказалось, что при уменьшении концентрации дырок сверхпроводимость исчезала не сразу. Сначала сопротивление переставало падать до нуля при охлаждении, однако вместо перехода в изолирующее состояние система попадала в промежуточное металлическое состояние с конечным сопротивлением. Оно сохранялось даже при охлаждении до примерно 100 милликельвин. Аналогичное состояние возникало и при подавлении сверхпроводимости магнитным полем.

Авторы считают, что монослой Bi-2201 может быть удобной модельной системой для изучения происхождения высокотемпературной сверхпроводимости в купратах. Возможность переводить один и тот же образец из состояния моттовского диэлектрика в сверхпроводящее позволила подробно исследовать промежуточную область между этими фазами. Обнаружение металлического состояния с конечным сопротивлением показывает, что переход к сверхпроводимости в двумерных купратах может быть устроен сложнее, чем считалось ранее. 

Купраты — не единственная загадка в физике сверхпроводимости. Например, три года назад корейские ученые написали статью о материале LK-99, сверхпроводящем при комнатной температуре и атмосферном давлении. Он тоже имеет в своем составе медь, но купратом не является. Заявление было из ряда вон выходящее, поэтому другие научные группы стали воспроизводить эксперименты и через три недели сошлись во мнение, что LK-99 вообще не является сверхпроводником. Подробнее об этой истории можно почитать в нашем материале «Почти не сопротивлялся».