一对“双胞胎”铁原子，为何性格截然不同？它揭开了高温超导的新秘密

当一块材料薄到只有一个原子层时，神奇的事情发生了。

这是中国科学家在 2026 年公布的一项关于高温超导的重要研究。听起来也许很专业，但背后的故事其实很生动 —— 就像发现了一对原本应该一模一样的 “双胞胎”，却突 然表现出了完全不同的“性格”。而正是这种差异，揭开了高温超导机制中的一个新秘密。

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从 9K 到 40K ：一个让人困惑的飞跃

故事要从一种叫做铁硒（FeSe）的材料说起。它属于铁基高温超导体家族，也就是在相对“没那么冷”的温度下就能实现零电阻的材料。

普通的铁硒块材，其超导转变温度只有约9 开尔文（9K ），也就是大约零下 264 摄氏度。这意味着它需要比液氮温度（零下 196 摄氏度）还要低得多，才能进入超导状态。

但在2012 年，清华大学薛其坤院士团队发现了一个震惊学界的现象：当把铁硒做得极薄 —— 只有一个晶胞厚度（约0.55 纳米，大约是头发直径的十万分之一） —— 并把它生长在钛酸锶（SrTiO₃）衬底上时，它的超导温度竟然提高到了40K 以上。

虽然这个温度依然很低，但已经比原来的 9K 提高了数倍，也让人们对其未来应用产生了新的想象空间。

问题随之而来：

为什么变薄之后，超导反而变强了？

十多年来，这一直是铁基超导研究中的一个重要谜题。

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被忽视的“子晶格”

要理解这项新研究，需要先看看铁硒的微观结构。

在铁硒晶体中，铁原子并不是随意排列的。它们形成一种特殊结构：在每个最小重复单元中，存在两个铁原子，分别属于两个不同的子晶格（sublattice）。

可以把它们想象成两块互相交织在一起的棋盘格。

按照传统理解，由于晶体整体具有对称性，这两个子晶格的物理性质应该完全相同 —— 就像一对几乎无法区分的双胞胎。

但理论研究曾提出一种可能：当铁硒变成单层薄膜并与衬底形成界面时，这种对称性可能被打破。

换句话说，这对“双胞胎”也许并不完全一样。

然而，在过去十多年里，一直没有直接的实验证据能够证明这一点。

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显微镜下的惊人发现

这一次，来自清华大学的实验团队与中国科学院物理研究所的理论团队合作，使用了一种能够分辨单个原子的强大工具 ——原子分辨率扫描隧道显微镜（STM）。

他们完成了一项前所未有的测量：

在同一个晶胞内，分别测量两个铁子晶格上的超导能隙。

结果令人惊讶。

这两个子晶格的超导谱确实不同。

在其中一个子晶格上，超导相干峰在空穴一侧更强；而在另一个子晶格上，相干峰在电子一侧更强。

这种现象可以用国际象棋棋盘来形象理解（图1）：黑白棋格代表两个不同的子晶格，而每个格子上的红蓝“山峰”则代表实验测量到的超导相干峰，其强度在两个子晶格之间正好相反。

研究团队为这种现象取名：

“子晶格二分性”（sublattice dichotomy）

通俗地说，这对住在同一个晶胞里的“双胞胎”，竟然展现出了完全不同的电子特性。

图1 ： 国际象棋棋盘的黑白格分别代表单层 FeSe 中的两套铁子晶格，格子上的红蓝峰代表实验测量到的超导相干峰。

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新配方的秘密：两种机制同时工作

为什么会出现这种奇特现象？

理论分析给出了答案。

在单层铁硒中，两种不同的超导配对机制正在同时发挥作用：

• 第一种是传统的带内配对（intraband pairing），这是多数超导体中常见的配对机制。

• 第二种则是带间配对（interband pairing），它源于界面引入的反演对称性破缺。

有趣的是，这种带间配对的思想其实可以追溯到几十年前。

著名物理学家杨振宁曾提出一种特殊的配对机制 ——η 配对。

2013 年，中国科学院物理研究所的胡江平研究员在理论上提出，在单层 FeSe 这样的体系中，可能存在一种奇宇称的 η 配对，并在超导中发挥重要作用。

如今，这项新的实验结果首次为这一理论提供了直接证据。

由于两种配对机制在两个子晶格上的贡献不同，就产生了实验上观察到的子晶格二分性。

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这意味着什么？

这项研究最重要的启示是：

单层 FeSe 中显著增强的超导温度，很可能与新出现的带间配对通道有关。

换句话说，超导增强不仅来自传统的电子相互作用，还与界面引入的对称性破缺密切相关。

这个新的配对通道，就像给超导机制增加了一台“助推器”。

更重要的是，这项工作揭示了一条新的研究思路：

在探索更高温超导材料时，除了关注电子之间的相互作用，还需要关注：

• 子晶格自由度

• 界面效应

• 对称性破缺

这些过去容易被忽视的因素，可能正是打开高温超导大门的重要钥匙。

这项研究已发表于《Physical Review Letters》（Phys. Rev. Lett.136, 066502 (2026)），并受到国际同行的广泛关注。

它告诉我们，在原子尺度上，即使是一个晶胞内部极其细微的结构差异，也可能决定宏观量子现象的性质。

也许在未来，通过精确操控原子结构，人类真的可以设计出全新的量子材料。

而量子的奥秘，往往就隐藏在这些看似微不足道的原子“细节”之中。

作者：王立莉 清华大学物理系研究员；胡江平 中国科学院物理研究所副所长、研究员，凝聚态理论领域专家，新基石研究员。

编辑：丁香叶子

文章转载自“中科院物理所”微信公众号