復旦チームは初めて単銅酸素層高温超伝導体を製造し、成果は『自然』誌に発表された

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北京時間8月12日夜、復旦大学物理学科の張遠波教授チームと協力者は「Superconducting 2 D cuprate with a single CuO 8322; plane」と題して、『自然』（Nature）で研究成果を発表し、銅基高温超伝導体を1つの超伝導平面、すなわち単一CuO 83222面を含むまで薄くすることに成功した。

この「限界操作」は高温超伝導の二次元本質を実証するだけでなく、超伝導-絶縁体転移の臨界点に特異な「異常金属状態」と量子臨界現象を発見し、高温超伝導機構の研究に新しい量子実験プラットフォームを提供した

近似物理的限界：2層から1層へのスパン

超伝導体は、特定の転移温度で抵抗がゼロで、完全な反磁性を示す材料であり、電力伝送とエネルギー貯蔵、医学イメージング、リニアモーターカー、量子計算などの分野に広く応用でき、重要な科学研究と技術応用価値がある。

1986年、ヨハネス・ベドノルツ（J.Georg Bednorz）とカール・アレクサンダー・ミラー（K.AlexMüller）はランタンバリウム銅酸化物（La-Ba-Cu-O）中に高温超伝導現象を発見し、臨界温度は30 K（「K」は熱力学温度単位「ケルビン」、30 K＝−243.15℃）に達し、この成果は1987年ノーベル物理学賞を受賞した。その後、科学者は銅基高温超伝導体に対して深い研究を展開し、すでに数十種類の材料システムを発展させた。これらの銅基高温超伝導体は化学組成と超伝導臨界温度にはそれぞれ異なるが、極めて薄い原子級二次元銅酸素平面から超伝導性が誕生するという共通の特徴を持っている。

しかし、物理学の伝統的な理論によると、2次元世界では、超伝導のような「秩序状態」を取得するのは非常に不安定で、熱ゆらぎによって破壊されやすい。なぜ高温超伝導エネルギーは二次元銅酸素面に安定して存在するのか。

この問題に直面するための最も直接的な戦略は、材料を極限まで薄くし、原子レベルの厚さまで減らして、超伝導性の変化を観察することです。しかし、銅酸化物原子層は極めて脆弱で、空気と加工技術の影響を受けやすく、酸素含有量も安定して精密に制御することが難しく、真性特性を保持する材料の製造と測定に大きな挑戦をもたらした。

2019年、張遠波チームと協力者は単層Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+δを作製し、初めて直接の実験証拠を提供し、二次元限界下の単層銅基超伝導体がブロック銅基超伝導体と同じ超伝導特性を有することを証明し、高温超伝導の二次元本質を明らかにし、研究成果はNatureに発表された。今回、チームはさらに一歩進んで、前期研究に基づいて、単層Bi 2 Sr 2 CuO 6+δ（Bi 2201）を単層CuOガリウム面のみを含む限界二次元銅酸化物超伝導体の製造に成功した。

「我々は初めて銅酸化物の厚さを二層から真の単層構造に推し進め、銅酸化物超伝導特性の限界検証を実現した。実測データは『銅酸化物高温超伝導は強い二次元現象である』という観点を強力に支持し、この長期仮説に重要な実験証拠を提供した」と張遠波氏は述べた。

自主開発し、「その場制御」の科学研究利器を構築する。（提供：123）。（提供：123）。（提供：123）。（提供：123）。（提供：123）。（提供：123）。（提供：123）。（提供：123）。（提供：123）。（提供：43）。（提供：43）。（提供：43）。（提供

極めて薄い原子レベルの2次元平面を製造し、測定するには、材料が脆弱で、空気と加工技術の影響を受けやすく、酸素含有量が安定して精密に制御しにくいなど、いくつかの実験的難関を克服する必要がある。市場における専用設備の不足という苦境に直面して、張遠波課題チームは独自の機器開発の道を歩んだ。

チームは不活性雰囲気の低温環境の中でサンプルの解理とデバイスの製造を完成し、マイクロ電極の冷間溶接を結合し、単層銅酸化物が空気と水蒸気に破壊されやすい難題を解決した。さらに重要なのは、チームは極めて精度の高いドーピング制御技術を発展させ、酸素含有量の可逆的な調節を実現した。

この「その場制御」技術により、チームはδp≒0.0005までのドーピング分解能を実現し、モト絶縁相から超伝導ドーム全体までの完全な物理相図を観測することができた。

最先端の実験機器と革新的な技術に基づいて、単層材料の最適な超伝導転移温度はブロックより約10%低下しており、これは厚さが超伝導温度に影響を与えることを示している。しかし同時に、単層材料はブロック材料の関連システム特徴を完全に保持しており、これは、厚さの低下が超伝導転移温度に影響を与えるにもかかわらず、銅酸化物のコア物理特性が単一CuOガリウム面において依然として完全に現れており、これは二次元限界における超伝導特性の重要な検証を提供していることを示している。

極アンダードープ領域の高精度な制御を利用して、チームはさらに温度を約100 mKに下げて、超伝導-絶縁体の量子臨界領域を深く探索して、意外な発見を得た。チームは単層Bi-2201に奇抜な量子臨界現象を観測した：温度が下がるにつれて、伝統的な量子臨界点付近の普遍的なスケーリング挙動は失効し、代わりにその有効臨界指数は臨界区に近づくにつれて急速に発散し、典型的な量子グリフィス特異性を呈した。

さらに重要なのは、ゼロ温度限界では、超伝導と絶縁の間に異常な金属状態が現れ、その抵抗は低温で有限値に飽和する。この異常金属状態は正孔ドーピングを低減することによっても得られるし、垂直磁場を印加することによっても得られる。この発見はガラス色の金属画像と一致している：高温超伝導は量子相転移を介して無能なギャップ、非超電流の2次元ガラス色系から出現する。

この発見は単一CuOタンパ面における真の次元効果を明らかにしただけでなく、量子臨界現象と異常金属状態を研究するために高度に調整可能で、品質に優れた2次元実験プラットフォームを提供した。

　　

アンカーの核心問題は、数年かけて難関を突破し、困難を克服するために、このような着実で深い探求は張遠波チームの鮮明な特色である。今回の成果は高温超伝導を真の単層限界に導き、先人が観測しなかった新しい現象を発見しただけでなく、高温超伝導メカニズムの研究にもしっかりとした基礎を築いた。

「我々の貢献は領域内に『煉瓦を1枚追加した』と言える」チームは、この研究は初めて単銅酸素面の限界下で同時に「清潔なシステム」と「精密な制御」を実現し、「制御可能な変数」の実験プラットフォームを提供し、研究者が超伝導を無から有へ、弱から強への完全な転化経路を系統的に追跡できるようにしたと述べた。

高温超伝導は1986年に発見されてから40年近くになるが、メカニズムはまだ完全には解明されていないが、「極限条件」に迫るたびに、材料がより薄く、より純粋で、より制御可能で、すべてレンガを追加し、答えの境界をさらに奥に進めることになる。

次のステップでは、チームは引き続き高温超伝導分野の重大な問題に焦点を当て、より高性能な高温超伝導体を探索する。材料デバイスの製造技術と物性測定における重要な難題を克服し、新型二次元量子材料などの方向の研究を持続的に推進する。

研究協力機関は復旦大学、中国科学技術大学、英領コロンビア大学、浙江大学、中国人民大学、上海交通大学、中国科学院物理研究所、ワイツマン科学研究院、清華大学などを含む。本研究は科学技術部国家重点研究開発計画、教育部基礎学科と交差学科突破計画、国家自然科学基金委員会オリジナル探索計画、科学技術部重大プロジェクト、上海市科学技術委員会、新基礎科学基金会などのプロジェクトと単独の支持を得た。

参照先：復旦チームは初めて単銅酸素層高温超伝導体を製造し、成果は『自然』誌に発表された【引用期間：2026年8月14日】