铁基超导体中的隐藏机制：从η配对到子晶格二分性

|作 者：汪然1,2 郝宁1,†

(1 中国科学院合肥物质科学研究院 强磁场科学中心）

(2 中国科学技术大学 科学岛研究生分院)

本文选自《物理》2026年第4期

高温超导的机理是凝聚态物理的圣杯之一。自铜氧化物超导体被发现以来，人们一直在寻找能够揭示其奥秘的钥匙。铁基超导体的发现为这个领域注入了新的活力，但同时也带来了新的困惑：铁基超导体的配对对称性究竟是什么？这个问题的答案，直到最近才在一项理论与实验紧密结合的研究中初露端倪。这项研究揭示了隐藏在铁基超导体中的“奇宇称”秩序，并将杨振宁先生提出的η配对理论[1，2]从理想模型带入了真实材料。

1 被忽视的子晶格自由度

铁基超导体的基本结构单元是一个Fe-As/Se三层结构(图1)。从上方俯瞰，铁原子似乎排列成简单的正方晶格。然而，仔细观察会发现，每个原胞中实际上包含两个铁原子，它们分别与顶层和底层的As/Se原子成键，形成A和B两套子晶格。在体材料中，空间反演对称性要求这两套子晶格的物理性质完全相同——就像照镜子一样，左边和右边没有区别。

这种对称性看似平凡，却对超导配对施加了严格的约束。大多数理论模型为了简化计算，将每个原胞近似为只包含一个铁原子的“1-Fe原胞”，从而丢失了子晶格这个关键的自由度。这就好比研究一个双原子分子却只用一个原子来描述，必然会遗漏许多重要的物理信息。

图1 单层FeSe的空间结构：左图为三维结构，右图为俯视平面结构

2 被忽视的η配对通道

η配对最初由著名物理学家杨振宁于1989年在对哈伯德模型的研究[1]中提出。它是一种在相邻格点具有相反相位的超导态，在二维晶格中可以写成
，这里的就像国际象棋棋盘上黑白格的交错分布。这意味着η配对产生的库珀对不是静止的，而是具有总动量Q=(π, π)。

杨振宁的这一理论构造长期以来被视为一个有趣的数学解，但似乎与真实材料相距甚远。直到2013年，中国科学院物理研究所胡江平发表了一篇具有前瞻性的理论工作[3]，才将η配对与铁基超导体联系起来。胡江平指出，在真实的铁基超导体中，原胞是包含两个铁原子的“2-Fe原胞”，以往基于“1-Fe原胞”有效模型的分析忽视了可能存在的奇宇称超导态。“2-Fe原胞”的空间反演中心在最近邻的两个铁原子之间，Q=(π, π)恰好是其倒空间的倒格矢，因此天然允许相邻铁原子相位相反的超导配对。如果将这个通道映射到常用的“1-Fe原胞”有效模型，它等价于动量空间的配对(图2)。胡江平将它与杨振宁的理论相联系，称其为动量空间的η配对。

图2 “2-Fe”原胞晶格的倒空间布里渊区、Q矢量(绿色虚线箭头)以及η配对(红色虚线双箭头)

2 实验发现单层FeSe中的子晶格二分性

理论预言需要实验的检验。单层FeSe生长在SrTiO3衬底上，为检验提供了理想平台。块材FeSe的超导转变温度极低，只有约9 K。但2012年薛其坤团队发现[4]，生长在SrTiO3上的单层FeSe的转变温度可以被提升至40 K以上，后续甚至出现了超过65 K的记录。为解开转变温度提升的谜题，相关研究团队对单层FeSe的晶格结构和物性进行了深入研究。

2026年，丁翠等人发表了系统性研究文章[5]，他们通过分子束外延技术在SrTiO3(001)衬底上制备出了原子级平整、无任何电子调制的单层FeSe-(1×1)薄膜。利用原子分辨的扫描隧道显微镜，他们首次观察到了一个令人惊异的现象：两套铁子晶格的隧道谱在超导能隙内表现出截然相反的粒子—空穴不对称性。研究团队将这一现象命名为“子晶格二分性”。

图3 FeSe电子扫描隧道谱的子晶格二分性 (a)α-Fe上的隧道谱；(b)β-Fe上的隧道谱

具体来说，超导能隙表现为双能隙结构：内能隙相干峰位于约±10 mV处，外能隙相干峰位于约±(15—17) mV处。对于α-Fe子晶格，内能隙的空穴侧(+10 mV)相干峰强度显著高于电子侧(-10 mV)；而对于β-Fe子晶格，情况完全相反：电子侧相干峰强度更高(图3)。更有趣的是，外能隙相干峰的强度对比与内能隙完全相反。这种在原子尺度上、严格对应两套子晶格的谱学二分性，是过去从未被观察到的。

4 正常配对与η配对的共存

这一实验发现与2013年的理论预言[3]惊人地吻合。研究团队构建了一个基于倒空间布里渊区M点附近的有效k·p模型，并同时引入了正常配对(k, -k)和η配对(k, -k+Q)。计算得到的两个子晶格上的局域态密度，完美复现了实验观察到的子晶格二分性。重要的是，无论是仅有正常配对，还是仅有η配对，都无法产生这种二分性。只有两者共存，且由于界面耦合导致的反演对称性破缺时，才能出现这种效应。因此，实验直接证明：在单层FeSe/SrTiO3中，超导态确实是由正常配对和η配对共同构成的混合宇称态——更准确地说，是空间反演对称性破缺下偶宇称与奇宇称配对的共存态。

这里需要特别说明的是，在体材料中(具有严格的反演中心)，宇称是守恒的，正常配对和η配对只能以特定组合形成纯奇宇称或纯偶宇称态。而在单层FeSe/SrTiO3中，界面效应破坏了空间反演对称性，宇称不再是好量子数，因此两种配对可以以任意权重共存，从而产生了实验观测到的子晶格二分性。这正是为什么该体系能够揭示η配对特征的关键所在。

5 意义与展望

这项研究的意义是多层次的。首先，它将杨振宁先生提出的η配对理论，从哈伯德模型半满情形的精确解，提升为真实高温超导材料中的实际配对机制。η配对不再是理论家的“玩具”，而是可以在实验室中被观测和调控的物理实在。其次，它解决了铁基超导领域长期存在的配对对称性争议，指出奇宇称s波是统一描述不同铁基超导家族的候选基态。第三，它为理解单层FeSe的高温超导机制提供了关键线索：超导转变温度的显著提升，很可能源于界面效应激活了新的η配对通道。

子晶格二分性的发现，不仅揭示了铁基超导体中隐藏的量子秩序，也为探索其他强关联电子体系中的奇宇称超导提供了新思路。正如胡江平在文章中所言：“在凝聚态物理的历史中，一个新的凝聚态量子态并非通过求解某个模型就能轻易获得。”它需要理论与实验的紧密互动，需要在看似复杂的晶体结构中，辨识出那些被忽视的对称性和自由度。

这项研究也再次证明，在凝聚态物理中，最深刻的进展往往源于对最基础概念的重新审视——在这里，是宇称、对称性，以及杨振宁40年前埋下的那颗名为“η配对”的种子。从哈伯德模型中的数学构造，到铁基超导体中的物理实在，η配对走过了漫长的道路。而这条道路的终点，或许正是通往高温超导机理核心的一扇新的大门。

参考文献

[1] Yang C N. Phys. Rev. Lett.，1989，63：2144

[2] Yang C N，Zhang S C. Mod. Phys. Lett. B，1990，04：759

[3] Hu J. Phys. Rev. X，2013，3：031004

[4] Wang Q Y，Li Z，Zhang W H et al. Chin. Phys. Lett.，2012，29：037402

[5] Ding C，Xu Z P，Jiao X T et al. Phys. Rev. Lett.，2026，136：066502

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