物质在不同状态下的转变，比如气体凝聚为液体，或者具有电阻的正常金属转变为零电阻的超导态，都可以用朗道的对称性破缺理论来描述。可是在二维极限下的相变不再适合用这样的对称性破缺理论描述。二维的相变是一种由拓扑缺陷所驱动的Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）相变（Kosterlitz与Thouless因此发现而获得2016年诺贝尔物理奖）。超导体系中的拓扑缺陷就是磁通涡旋。对于无限大的二维超导体系，在低温下旋度相反的正反磁通涡旋由吸引力紧紧绑在一起形成磁通涡旋对，体系也处于稳定的超导态。但是当温度升高后，磁通涡旋对受热扰动而变得不稳定，正反磁通涡旋间的耦合逐渐减弱直至分离为可以自由移动的正与反磁通涡旋，这个过程导致了BKT相变。这种相变的特征是超流密度在转变温度发生跳变。然而，磁通涡旋的特征尺寸在二维极限相比三维会大大增加（图a和b），当样品尺寸与磁通涡旋的特征尺寸接近时（或者样品具有不均匀性时），都会抹平超流密度的跳变。这使得确定非理想情况下的二维超导体中的BKT相变非常具有挑战。

具有层状结构的铜氧化物高温超导体Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ（Bi2212）是受到广泛研究的非常规超导体，其电荷关联与超导性的联系是凝聚态物理中的一大谜团。在最近成功制备的单层Bi2212中，传统的测量手段未发现二维超导本应发生的BKT相变。相反，单层展现出与体材料非常类似的行为，包括转变温度、赝能隙、电荷密度波等。这使得这个体系超导相变与关联效应间的关系更显扑朔迷离。因此寻找单层Bi2212中BKT相变的证据，并厘清二维极限下超导相变与体中的区别与联系对于理解这个体系的关联物理具有重要意义。

王熠华、张远波、戚扬课题组合作利用扫描SQUID磁显微镜，研究了Bi2212从单层到厚层在超导相变过程中的局部磁响应（图c）。单层中磁化率在临界温度以下的温度范围内出现正的顺磁峰，并且峰的位置随穿过样品的磁通以量子磁通为周期振荡（图d）。由于顺磁性出现在具有迈斯纳效应的超导态，这便是所谓的顺磁迈斯纳现象。他们进一步发现顺磁峰的峰宽随温度升高而增加，一直持续到转变温度（图e）。这些特征都表明了临界区稳定的相位相干，以及因正反磁通涡旋对分离而逐渐增加的等离子屏蔽效应（题图），符合由磁通涡旋自由激发所导致的BKT相变。而多层与厚层上同样出现的顺磁磁化率峰表明欠掺杂Bi2212的超导转变是带有层间耦合的广义BKT相变。这个结果不仅发现了BKT转变在有限大体系中的一个重要磁特征，而且澄清了单层与体Bi2212的超导转变的同质关系，为理解铜氧化物欠掺杂区的赝能隙提供了线索。

物理学系博士研究生王世源、余逸俊为论文共同第一作者。日本国立材料研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi以及布鲁克海文实验室的Genda Gu提供了高质量的单晶样品。该工作近日以“Oscillating paramagnetic Meissner effect and Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition in underdoped Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ”为题在线发表于National Science Review。

该工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、上海市科委等多个基金项目的支持。

论文链接：

https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwad249/7276607?utm_source=advanceaccess&utm_campaign=nsr&utm_medium=email

a, 三维超导体中的磁通涡旋；b, 二维极限下的磁通涡旋具有超过样品大小的特征尺度；c, 单层Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ的磁化率成像；d, 在接近转变温度T_c = 64 K的临界温区，单层的磁化率出现顺磁峰并随外场震荡；e, 顺磁峰的宽度随温度升高而增加，表明正反磁通涡旋对被逐渐分离，体系进入BKT相变。