自1986年在La_2−xBa_xCuO₄中发现高温超导电性以来，陆续有上百种铜氧化物超导体被发现，包括汞（Hg）系、铊（Tl）系、铋（Bi）系和钇（Y）系等。铜氧化物超导体尽管种类繁多，但是也存在许多共性，其中一个共同特征是都具有层状的晶体结构，即对超导起决定作用的CuO₂面被夹在绝缘或导电的电荷库层之间。因此，铜氧化物超导体的物理性质都表现出很强的各向异性。而强的各向异性会导致超导体中剧烈的磁通运动，从而限制超导体在强磁场下的应用。汞系、铊系和铋系超导体的最高临界转变温度都超过了100 K，但是由于各向异性度很高，导致了它们在液氮温区可承载超导电流的磁场（又称不可逆磁场）很低。另外，汞系和铊系因为含有有毒元素，进一步限制了其应用。

不久之前，37000cm威尼斯闻海虎教授团队利用高温高压实验技术，成功生长了无毒铜氧化物超导体(Cu,C)Ba₂Ca₃Cu₄O_11+δ 多晶和单晶样品，超导转变温度可达116K，并发现该材料在液氮温度及以上的温区具有很高的不可逆此场，因此可能带来更好的强电应用【Science Advances 4, eaau0192 (2018)；Superconductor Science and Technology 35, 025004 (2022)】。但是该系统在液氮温区具有很高的不可逆磁场的原因一直不清楚。

最近闻海虎教授团队与安徽大学葛炳辉教授等合作，揭示了这个原因。他们生长出(Cu,C)-1234单晶，并开展了深入的研究，通过仔细的磁场下电输运测量再次显示其具有较低的各向异性度和很高的不可逆磁场（如图1所示）；利用高分辨的透射电子显微镜对单晶的微观结构进行了仔细的表征，发现在原来的电荷库层中，形成了铜氧链和碳氧链交替排布的新结构（如图2a, b, c所示）；通过第一性原理的计算表明，发现这种新结构中的铜氧链可以显著增强层间的相干电输运（如图2d所示），从而有效降低各向异性度，提高不可逆磁场。这一发现可以推广到其他铜氧化物超导体中去，即将新的CuO链插入到电荷库层中原来重金属原子所在的位置，或者用其他具有多重价态的元素直接进行替换，以增强层间的相干电导，从而提升不可逆磁场，促进铜氧化物超导体的强电应用。该工作于2022年11月19日在线发表在【Materials Today Physics 29, 100913 (2022)】上。

图1. (a) (Cu,C)-1234单晶在95 K时不同磁场下的转角电阻测量结果。(b) 用标定法对转角电阻进行拟合的结果。(c) 单晶的各向异性度随温度变化曲线，揭示较小的各向异性度。

图2. (Cu,C)-1234单晶的(a) HAADF-STEM像和(b) iDPC-STEM像。(c) Hg-1234O₁₁和 (Cu_,C)-1234O₁₂的结构模型。(d) 理论计算得到的Hg-1234O₁₁和(Cu_,C)-1234O₁₂的c方向电导。

该工作是闻海虎教授团队与安徽大学葛炳辉、宋东升教授团队合作完成的，安徽大学团队进行了高分辨透射电镜以及微区电子能量损失谱（EELS）的测量。文章并列共同第一作者是何成平、明学、林仁菊和范昕尉同学；通讯作者是闻海虎教授和葛炳辉教授。 此工作得到国家重点研发计划、自然科学基金委、2011计划“人工微结构科学与技术协同创新中心”项目，以及中科院先导B项目的支持，在此表示感谢。

文章题目：Key factor for low anisotropy and high irreversibility field in (Cu,C)Ba₂Ca₃Cu₄O_11+δ.

作者：Chengping He，Xue Ming, Renju Lin, Xinwei Fan, Dongsheng Song, Binghui Ge, and Hai-Hu Wen. Materials Today Physics 29, 100913 (2022)

文章链接： https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2022.100913