清华团队看清0.55纳米超导秘密：原子在演'阴阳互搏'

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超导是物理学最迷人的现象之一。电流在其中流动毫无阻力，就像车辆在绝对光滑的道路上永远滑行。2012年，科学家发现单层硒化铁薄膜在仅0.55纳米厚度下仍保持超导，这薄如蝉翼的材料为何拥有如此魔力？清华大学薛其坤、王立莉团队最新研究揭示了答案：材料内部存在两个"性格相反"的原子世界，它们共同编织出超导的奇迹。

超导现象通常需要极低温度。早期汞合金在4K（零下269摄氏度）才显现零电阻。1986年铜氧化物高温超导体的发现将临界温度提升到液氮温区，但材料脆性限制了应用。

2008年，日本科学家发现铁基超导体，临界温度达26K。中国科学家迅速跟进，中科院物理所、中国科学技术大学团队将铁基超导临界温度推升至55K，创造并保持该体系世界纪录。这类材料具有更好的可加工性和更高临界磁场，被视为下一代超导技术的重要候选。

2012年，清华大学团队发现单层FeSe薄膜在相对高温下展现超导特性。该薄膜仅含Se-Fe-Se三层原子，厚度0.55纳米。如此薄的体系中，电子如何克服排斥力形成库珀对（Cooper pairs）并建立超导秩序？这成为困扰学界十余年的核心谜题。

王立莉团队运用扫描隧道显微镜（STM）和扫描隧道谱（STS）技术，在原子尺度审视这块超薄超导体。这些技术利用量子隧穿效应，能够分辨单个原子并测量其电子态密度。

他们发现一个奇特现象：材料中铁原子并非均匀一体，而是形成两套交错编织的"子晶格"（sublattices），分别称为A位和B位。这两套子晶格如同两张叠加的渔网，网格交错但节点分明。

更令人惊讶的是它们的电子行为。在超导态中，费米能级附近会形成能隙，两侧出现相干峰。测量显示，A位子晶格的"空穴型"峰（低于费米能级）强于"电子型"峰，B位则完全相反。这种强度对比的倒置现象被命名为"子晶格二分性"（sublattice dichotomy）。

温度升至临界温度以上，这种二分性立即消失。这证明该现象与超导机制内在关联，而非普通电子结构效应。

这一现象如何解释超导起源？中科院物理所胡江平研究员早在2013年就提出理论框架。他认为单层FeSe的特殊晶格对称性引入新自由度，电子行为取决于占据哪套子晶格。

最新实验证实了该预言。理论分析表明，子晶格二分性源于两种配对通道共存：带内配对（intraband）发生在同一能带内部，带间配对（interband）则跨越不同能带。后者源于FeSe与钛酸锶（SrTiO3）衬底界面处的反演对称性破缺。

这如同两支乐队既各自演奏（带内），又相互配合（带间），产生更丰富的和声。带间配对分量显著增强了超导转变温度，超越了传统费米面不稳定性的解释范畴。该发现将杨振宁院士提出的η-配对概念扩展到铁基超导体系，为高温超导机制提供了新视角。

这项突破标志着中国在铁基超导领域的系统性领先。回顾该领域发展史，2008年日本发现铁基超导后，中国科学家在材料制备、机制探索、应用开发三条战线同步推进，短短一年内将临界温度翻倍。

在单层FeSe体系，中国团队保持从材料生长到精细测量的完整技术优势。薛其坤团队长期钻研分子束外延技术，制备出原子级平整的FeSe薄膜；胡江平团队构建的理论框架指导了实验方向；此次STM/STS测量则展现了世界顶尖的空间分辨能力。

目前，铁基超导是中国唯一一个从材料发现、机理研究到应用探索全程参与并部分引领的物理学前沿领域。相比铜氧化物超导的"黑箱"特性，铁基超导具有更清晰的相图和更好的可调控性。这项关于子晶格二分性的发现，为设计更高临界温度的新型超导材料提供了明确靶点。

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