自 1986 年发现铜氧化物高温超导以来，作为凝聚态物理学最重要科学难题之一的高温超导机理至今仍然没有得到解决。针对配对对称性这一核心科学问题，南方科技大学校长、中科院院士薛其坤和清华大学副教授张定研究团队，与国内外的研究者合作，通过制备具有原子级平整界面的高质量约瑟夫森结，发现铜氧化物中 s- 波配对占主导地位。这个结果颠覆了铜基高温超导是 d- 波配对的主流认识。该研究不单是铜氧化物高温超导研究的一个重大进展，同时也为破解高温超导机理这一科学难题指明了正确方向。该研究成果以 " 转角超薄铋锶钙铜氧约瑟夫森结中的 s 波配对 " 为题在线发表在 7 月 15 日的 Physical Review X 上。

▲ 高温超导转角约瑟夫森结原子结构示意图。图中蓝、绿、红、黄、黑色小球分别代表铋、锶、钙、铜、氧原子。上半部分半个原胞相对下半部分旋转 45 度。右侧插图表示 s 波配对中相位在空间中保持相同符号。

约瑟夫森结（Josephson junction）也称为超导隧道结。一般是由两块超导体夹以某种很薄的势垒层而构成的结构，例如 S ( 超导体 ) — I ( 半导体或绝缘体 ) — S ( 超导体 ) 结构，简称 SIS。在其中超导电子可以通过隧道效应而从一边穿过半导体或绝缘体薄膜到达另一边。

据介绍，超导作为一种宏观量子现象，其量子态的波函数在理论上可以分为 s 波、p 波和 d 波等。研究团队成功制备出了超薄的具有原子级平整界面的高质量约瑟夫森结，并且能将两边超导层的相对转角进行精确地控制。在这些高质量样品中，他们观察到参与隧穿过程的只有相对发生旋转的两个超导层，避免了本征约瑟夫森结造成的复杂性。通过这种高度精确人为可控的相位敏感测量，他们发现在相对角度旋转到 45 度时，两片铋锶钙铜氧超导在纵向仍然存在约瑟夫森耦合，而且耦合强度与转角为 0 度时可比拟，这说明配对对称性是 s 波。

这个结果清楚表明，目前主流的 d 波配对理论并不适用铋锶钙铜氧高温超导体系。如果这一实验得到进一步验证，并且推广到其它铜氧化物高温超导体系，那么这将是三十多年高温超导机理研究的一个转折点，为最终解决高温超导机理走出了最关键的一步。为了最终确认 s 波配对对称性，研究团队目前正在瞄准原子极限下两个单层铜氧化物超导间的约瑟夫森耦合——进行强力攻关。

这一突破的取得是团队成员潜心攻关和精诚合作的结果。薛其坤院士、张定副教授为该论文的通讯作者。北京量子信息科学研究院助理研究员朱玉莹（原清华大学物理系博士后）作为文章的共同第一作者，在加入团队的四年里，虽未发表一篇作为主要作者的文章，依然心无旁骛、刻苦攻关。她与清华大学物理系博士生廖孟涵（共同第一作者），在开展该研究的五年内，利用美国布鲁克海文国家实验室 Genda Gu 教授研究组提供的最优质量的晶体，共尝试了近 800 多个薄膜样品，制备和测试了 300 多个具有不同转角的约瑟夫森结。

为了验证人工约瑟夫森结的质量，需要获得原子结构的信息，这得到了中科院物理所谷林研究组的全力支持。中科院物理所副研究员张庆华（共同第一作者）对数十个约瑟夫森结样品开展了精细的结构表征，证明了其具有宏观大范围原子级平整的晶界。参与该研究的合作者还包括清华大学物理系季帅华教授、姜开利教授、马旭村教授，以及该系博士生刘耀伍与柏中华，北京量子信息科学研究院副研究员解宏毅，中科院物理所博士生孟繁琦，美国布鲁克海文国家实验室 Ruidan Zhong 和 John Schneeloch 等。该研究得到了科技部、自然科学基金委员会、清华大学低维量子物理国家重点实验室、北京未来芯片技术高精尖创新中心等的经费支持。

深圳晚报记者 郭宇立 通讯员 劳湘雯