복단팀은 처음으로 단동산소층 고온초전도체를 제조하여 ≪ 자연 ≫ 잡지에서 성과를 발표하였다

【계기망 연구 개발 속보"고온초전도성은 미래의 고효률전력전송과 고성능전자부품발전의 중요한 방향이지만 그 미시적기리는 시종 응집상태물리의"왕관의 수수께끼"이다.

북경시간으로 8월 12일 저녁, 복단대학 물리학과 장원파 교수팀과 협력자들은"Superconducting 2D cuprate with a single CuO plane"이라는 제목으로"자연"(Nature) 에서 연구성과를 발표하여 동기고온초전도체를 초전도평면 즉 단일CuO 면을 포함할수 있도록 얇게 깎는데 성공했다.

이"극한조작"은 고온초전도의 2차원본질을 실증하였을뿐만아니라 더우기는 초전도-절연체전환의 림계점에서 기이한"비상적인 금속상태"와 량자임계현상을 발견하여 고온초전도기리를 연구하는데 새로운 량자실험플랫폼을 제공해주었다.

물리적 한계에 근접: "이중" 에서 "단층" 으로의 도약

초전도체는 특정한 전환온도에서 저항이 0이고 완전한 자기저항성을 나타내는 재료로서 전력전송과 에너지저장, 의학영상, 자기부상렬차, 량자계산 등 분야에 널리 응용될수 있으며 중요한 과학연구와 기술응용가치를 갖고있다.

요하네스 베드노르츠 (J. Georg Bednorz) 와 칼 알렉산더 밀러 (K. Alex Müller) 는 1986 년 바륨 구리 산화물 (La-Ba-Cu-O) 에서 고온 초전도 현상을 발견했으며 임계 온도는 30 K ("K"는 열역학 온도 단위"켈빈", 30 K = -243.15 ℃) 로 1987 년 노벨상 성과를 거두었습니다.그후 과학자들은 동기고온초전도체에 대해 깊이있는 연구를 전개하여 이미 수십종의 재료체계를 발전시켰다.이러한 구리 기반 고온 초전도체는 화학 구성과 초전도 임계 온도에서 각각 다르지만, 모두 매우 얇은 원자급 2차원 구리 산소 평면에서 초전도성이 탄생했다는 큰 공통된 특징을 가지고 있다.

그러나 물리학의 전통리론에 따르면 2차원세계에서 초전도와 같은"질서있는 상태"를 얻는것은 매우 불안정하며 열등락에 의해 파괴되기 쉽다.왜 고온 초전도 에너지는 2차원 구리 산소면에서 안정적으로 존재합니까?이것은 고온 초전도 기리를 이해하는 관건이다.

이 문제를 직시하려면 가장 직접적인 책략은 재료를 극도로 얇게 하고 심지어 원자급의 두께로 축소하여 초전도성의 변화를 관찰하는것이다.그러나 구리 산화물 원자층은 매우 취약하여 공기와 가공 공정의 영향을 받기 쉽고 산소 함량도 안정적으로 정밀 통제하기 어려우며, 본 징후의 성질을 유지하는 재료 제조와 측정에 큰 도전을 가져온다.

2019년, 장원보 팀과 협력자는 일찍이 단층 Bi2Sr2CaCu2O8 + 델타를 제조하였고, 처음으로 직접적인 실험 증거를 제공하여 2차원 극한 하의 단층 동기 초전도체가 블록체 동기 초전도체와 같은 초전도 특성을 가지고 있다는 것을 증명하였으며, 고온 초전도의 2차원 본질을 제시하였으며, 연구 성과는 Nature에 발표되었다.이번에 팀은 한걸음 더 나아가 전단계 연구를 바탕으로 단일 CuO면만 함유한 극한 2차원 구리산화물 초전도체인 단층 Bi2Sr2CuO6 + 델타 (Bi2201) 를 성공적으로 제조했다.

"우리는 처음으로 구리 산화물의 두께를 이중에서 진정한 단층 구조로 추진하여 구리 산화물의 초전도 속성에 대한 극한 검증을 실현했다.실측 데이터는'구리 산화물의 고온 초전도는 강한 2차원 현상'이라는 관점을 강력하게 지지하며, 이 장기적인 가정에 핵심 실험 증거를 제공한다"고 장원파는 말했다.

자주적으로 연구개발하여"원위치조절통제"의 과학연구리기를 구축하다

매우 얇은 원자급 2차원 평면을 제조하고 측정하려면 재료가 취약하고 공기와 가공 공정의 영향을 받기 쉬우며 산소 함량을 안정적으로 정밀 제어하기 어려운 등 여러 가지 실험 난관을 극복해야 한다.시장에 전용설비가 부족한 곤경에 직면하여 장원파과제조는 자주적으로 계기를 연구개발하는 길로 들어섰다.

팀은 타성분위기의 저온환경에서 견본해리와 부품제조를 완성하고 미전극랭용접과 결부하여 단층의 구리산화물이 공기와 수증기에 의해 쉽게 파괴되는 난제를 해결하였다.더욱 중요한것은 팀이 극히 높은 정밀도를 가진 혼합조절통제기술을 발전시켜 산소함량에 대한 가역조절을 실현하였다는것이다.

"우리는 측정하면서 오존 농도와 온도를 조절함으로써 재료의 산소 함량을 정확하게 조절한다."통신 저자 중 한 명인 응우옌웨이 푸단대 물리학과 교수가 소개했다.이"원위 조정"기술로 팀은 델타 p 0.0005에 달하는 혼합 해상도를 실현하여 모트 절연상에서 전체 초전도 돔에 이르는 완전한 물리 사진을 관측할 수 있었다.

최첨단 실험 기기와 혁신 기술을 바탕으로 그들은 단층 재료의 최적 초전도 변환 온도가 블록보다 약 10% 낮아졌다는 것을 발견했는데, 이는 두께가 초전도 온도에 확실히 영향을 줄 수 있다는 것을 설명한다.그러나 이와 동시에 단층재료는 블록체재료의 관련시스템특징을 완전하게 보존하였는데 이는 두께가 낮아지면 초전도전환온도에 영향을 주지만 구리산화물의 핵심물리속성이 단일한 CuO면에서 여전히 잘 나타나고있음을 보여주었는데 이는 2차원극한에서의 초전도속성에 대한 관건적인 검증을 제공해주었다.

극미혼합구역에 대한 고정밀도를 리용하여 조절할수 있으며 팀은 진일보 온도를 약 100mK로 낮추어 초전도-절연체의 량자림계구역을 깊이있게 탐색하여 예기치 못한 발견을 거두었다.팀은 단층 Bi-2201에서 특이한 양자 임계 현상을 관측했다: 온도가 낮아짐에 따라 전통적인 양자 임계점 부근의 보편적 표도 행위가 효력을 잃었고, 대신 그 유효 임계 지수가 임계구역에 접근함에 따라 빠르게 발산되어 전형적인 양자 그리피스 기이성을 보였다.

더욱 중요한것은 령온극한에서 초전도와 절연 사이에 비정상적인 금속상태가 나타났는데 그 저항은 저온포화에서 유한값으로 되였다.이 비정상적인 금속상태는 공혈의 혼합을 낮추어 얻을수 있을뿐만아니라 수직자장을 첨가하여 얻을수 있다.이 발견은 볼록색 금속 이미지와 일치한다: 고온 초전도는 일종의 무능한 틈새, 비초류의 2차원 볼록색 체계가 양자 상변을 통해 생겨난다.

이 발견은 단일 CuO면 중의 진실한 차원 효과를 드러냈을 뿐만 아니라 양자 임계 현상과 비정상적인 금속 상태를 연구하는 데 고도로 조절할 수 있고 품질이 우수한 2차원 실험 플랫폼을 제공했다.

　　고온 초전도 분야에 지속적으로"힘을 보태다"

핵심문제를 고정시키고 몇년동안 난관을 돌파하는데 이런 온당하고 깊이있는 탐색은 장원파팀의 선명한 특색이다.이번 성과는 고온초전도를 진정한 단층극한으로 밀어넣었을뿐만아니라 선인들이 관측하지 못한 새로운 현상을 발견하였을뿐만아니라 고온초전도메커니즘을 연구하는데 튼튼한 기초를 닦아놓았다.

"우리의 공헌은 영역 내에'벽돌'을 추가했다고 할 수 있다."팀은 이 연구가 처음으로 단일 구리 산소면 한계에서'깨끗한 체계'와'정교한 조정'을 동시에 실현했으며, 연구자들이 무에서 유로, 약에서 강으로의 완전한 전환 경로를 체계적으로 추적할 수 있는'통제 가능한 변수'의 실험 플랫폼을 제공하는 것과 같다고 밝혔다.

고온초전도는 1986년에 발견된후 지금까지 근 40년이 되였고 기리는 여전히 완전히 해결되지 않았지만 매번"극한조건"에 대한 접근, 재료가 더욱 얇고 더욱 순수하며 더욱 통제할수 있으며 모두 한차례 힘을 보태 답안의 변계를 다시 깊은 곳으로 한걸음 추진했다.

다음단계에 팀은 계속 고온초전도령역의 중대한 문제에 초점을 맞추고 더욱 높은 성능의 고온초전도체를 탐색하게 된다.재료부품제조공정과 물성측량에서의 관건적인 난제를 공략하고 신형의 2차원량자재료 등 방향의 연구를 지속적으로 추진한다.

푸단대학 물리학과 장원보 교수, 응우옌웨이 교수, 중국과학기술대학 천셴후이 교수가 논문의 공동 교신저자이다.연구협력단위에는 복단대학, 중국과학기술대학, 영국령콜롬비아대학, 절강대학, 중국인민대학, 상해교통대학, 중국과학원 물리연구소, 위츠만과학연구원, 청화대학 등이 포함된다.본 연구는 과학기술부 국가중점연구개발계획, 교육부 기초학과와 교차학과 돌파계획, 국가자연과학기금위원회 독창탐색계획, 과학기술부 중대프로젝트, 상해시과학기술위원회, 신초석과학기금회 등 프로젝트와 단위의 지지를 받았다.

참조:복단팀은 처음으로 단동산소층 고온초전도체를 제조하였는데 성과는"자연"잡지에 발표되였다[인용시간: 2026년 8월 14일]