清華團隊看清0.55納米超導(dǎo)秘密：原子在演'陰陽互搏'

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超導(dǎo)是物理學最迷人的現(xiàn)象之一。電流在其中流動毫無阻力，就像車輛在絕對光滑的道路上永遠滑行。2012年，科學家發(fā)現(xiàn)單層硒化鐵薄膜在僅0.55納米厚度下仍保持超導(dǎo)，這薄如蟬翼的材料為何擁有如此魔力？清華大學薛其坤、王立莉團隊最新研究揭示了答案：材料內(nèi)部存在兩個"性格相反"的原子世界，它們共同編織出超導(dǎo)的奇跡。

超導(dǎo)現(xiàn)象通常需要極低溫度。早期汞合金在4K（零下269攝氏度）才顯現(xiàn)零電阻。1986年銅氧化物高溫超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)將臨界溫度提升到液氮溫區(qū)，但材料脆性限制了應(yīng)用。

2008年，日本科學家發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)體，臨界溫度達26K。中國科學家迅速跟進，中科院物理所、中國科學技術(shù)大學團隊將鐵基超導(dǎo)臨界溫度推升至55K，創(chuàng)造并保持該體系世界紀錄。這類材料具有更好的可加工性和更高臨界磁場，被視為下一代超導(dǎo)技術(shù)的重要候選。

2012年，清華大學團隊發(fā)現(xiàn)單層FeSe薄膜在相對高溫下展現(xiàn)超導(dǎo)特性。該薄膜僅含Se-Fe-Se三層原子，厚度0.55納米。如此薄的體系中，電子如何克服排斥力形成庫珀對（Cooper pairs）并建立超導(dǎo)秩序？這成為困擾學界十余年的核心謎題。

王立莉團隊運用掃描隧道顯微鏡（STM）和掃描隧道譜（STS）技術(shù)，在原子尺度審視這塊超薄超導(dǎo)體。這些技術(shù)利用量子隧穿效應(yīng)，能夠分辨單個原子并測量其電子態(tài)密度。

他們發(fā)現(xiàn)一個奇特現(xiàn)象：材料中鐵原子并非均勻一體，而是形成兩套交錯編織的"子晶格"（sublattices），分別稱為A位和B位。這兩套子晶格如同兩張疊加的漁網(wǎng)，網(wǎng)格交錯但節(jié)點分明。

更令人驚訝的是它們的電子行為。在超導(dǎo)態(tài)中，費米能級附近會形成能隙，兩側(cè)出現(xiàn)相干峰。測量顯示，A位子晶格的"空穴型"峰（低于費米能級）強于"電子型"峰，B位則完全相反。這種強度對比的倒置現(xiàn)象被命名為"子晶格二分性"（sublattice dichotomy）。

溫度升至臨界溫度以上，這種二分性立即消失。這證明該現(xiàn)象與超導(dǎo)機制內(nèi)在關(guān)聯(lián)，而非普通電子結(jié)構(gòu)效應(yīng)。

這一現(xiàn)象如何解釋超導(dǎo)起源？中科院物理所胡江平研究員早在2013年就提出理論框架。他認為單層FeSe的特殊晶格對稱性引入新自由度，電子行為取決于占據(jù)哪套子晶格。

最新實驗證實了該預(yù)言。理論分析表明，子晶格二分性源于兩種配對通道共存：帶內(nèi)配對（intraband）發(fā)生在同一能帶內(nèi)部，帶間配對（interband）則跨越不同能帶。后者源于FeSe與鈦酸鍶（SrTiO3）襯底界面處的反演對稱性破缺。

這如同兩支樂隊既各自演奏（帶內(nèi)），又相互配合（帶間），產(chǎn)生更豐富的和聲。帶間配對分量顯著增強了超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，超越了傳統(tǒng)費米面不穩(wěn)定性的解釋范疇。該發(fā)現(xiàn)將楊振寧院士提出的η-配對概念擴展到鐵基超導(dǎo)體系，為高溫超導(dǎo)機制提供了新視角。

這項突破標志著中國在鐵基超導(dǎo)領(lǐng)域的系統(tǒng)性領(lǐng)先。回顧該領(lǐng)域發(fā)展史，2008年日本發(fā)現(xiàn)鐵基超導(dǎo)后，中國科學家在材料制備、機制探索、應(yīng)用開發(fā)三條戰(zhàn)線同步推進，短短一年內(nèi)將臨界溫度翻倍。

在單層FeSe體系，中國團隊保持從材料生長到精細測量的完整技術(shù)優(yōu)勢。薛其坤團隊長期鉆研分子束外延技術(shù)，制備出原子級平整的FeSe薄膜；胡江平團隊構(gòu)建的理論框架指導(dǎo)了實驗方向；此次STM/STS測量則展現(xiàn)了世界頂尖的空間分辨能力。

目前，鐵基超導(dǎo)是中國唯一一個從材料發(fā)現(xiàn)、機理研究到應(yīng)用探索全程參與并部分引領(lǐng)的物理學前沿領(lǐng)域。相比銅氧化物超導(dǎo)的"黑箱"特性，鐵基超導(dǎo)具有更清晰的相圖和更好的可調(diào)控性。這項關(guān)于子晶格二分性的發(fā)現(xiàn)，為設(shè)計更高臨界溫度的新型超導(dǎo)材料提供了明確靶點。

Ding, C., et al. (2026). Parity Breaking and Sublattice Dichotomy in Monolayer FeSe Superconductor. Physical Review Letters. DOI: 10.1103/f3w1-rn6p