當(dāng)一塊材料薄到只有一個原子層時，神奇的事情發(fā)生了。

這是中國科學(xué)家在 2026 年公布的一項關(guān)于高溫超導(dǎo)的重要研究。聽起來也許很專業(yè)，但背后的故事其實很生動 —— 就像發(fā)現(xiàn)了一對原本應(yīng)該一模一樣的 “雙胞胎”，卻突 然表現(xiàn)出了完全不同的“性格”。而正是這種差異，揭開了高溫超導(dǎo)機制中的一個新秘密。

01

從 9K 到 40K ：一個讓人困惑的飛躍

故事要從一種叫做鐵硒（FeSe）的材料說起。它屬于鐵基高溫超導(dǎo)體家族，也就是在相對“沒那么冷”的溫度下就能實現(xiàn)零電阻的材料。

普通的鐵硒塊材，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度只有約9 開爾文（9K ），也就是大約零下 264 攝氏度。這意味著它需要比液氮溫度（零下 196 攝氏度）還要低得多，才能進入超導(dǎo)狀態(tài)。

但在2012 年，清華大學(xué)薛其坤院士團隊發(fā)現(xiàn)了一個震驚學(xué)界的現(xiàn)象：當(dāng)把鐵硒做得極薄 —— 只有一個晶胞厚度（約0.55 納米，大約是頭發(fā)直徑的十萬分之一） —— 并把它生長在鈦酸鍶（SrTiO?）襯底上時，它的超導(dǎo)溫度竟然提高到了40K 以上。

雖然這個溫度依然很低，但已經(jīng)比原來的 9K 提高了數(shù)倍，也讓人們對其未來應(yīng)用產(chǎn)生了新的想象空間。

問題隨之而來：

為什么變薄之后，超導(dǎo)反而變強了？

十多年來，這一直是鐵基超導(dǎo)研究中的一個重要謎題。

02

被忽視的“子晶格”

要理解這項新研究，需要先看看鐵硒的微觀結(jié)構(gòu)。

在鐵硒晶體中，鐵原子并不是隨意排列的。它們形成一種特殊結(jié)構(gòu)：在每個最小重復(fù)單元中，存在兩個鐵原子，分別屬于兩個不同的子晶格（sublattice）。

可以把它們想象成兩塊互相交織在一起的棋盤格。

按照傳統(tǒng)理解，由于晶體整體具有對稱性，這兩個子晶格的物理性質(zhì)應(yīng)該完全相同 —— 就像一對幾乎無法區(qū)分的雙胞胎。

但理論研究曾提出一種可能：當(dāng)鐵硒變成單層薄膜并與襯底形成界面時，這種對稱性可能被打破。

換句話說，這對“雙胞胎”也許并不完全一樣。

然而，在過去十多年里，一直沒有直接的實驗證據(jù)能夠證明這一點。

03

顯微鏡下的驚人發(fā)現(xiàn)

這一次，來自清華大學(xué)的實驗團隊與中國科學(xué)院物理研究所的理論團隊合作，使用了一種能夠分辨單個原子的強大工具 ——原子分辨率掃描隧道顯微鏡（STM）。

他們完成了一項前所未有的測量：

在同一個晶胞內(nèi)，分別測量兩個鐵子晶格上的超導(dǎo)能隙。

結(jié)果令人驚訝。

這兩個子晶格的超導(dǎo)譜確實不同。

在其中一個子晶格上，超導(dǎo)相干峰在空穴一側(cè)更強；而在另一個子晶格上，相干峰在電子一側(cè)更強。

這種現(xiàn)象可以用國際象棋棋盤來形象理解（圖1）：黑白棋格代表兩個不同的子晶格，而每個格子上的紅藍(lán)“山峰”則代表實驗測量到的超導(dǎo)相干峰，其強度在兩個子晶格之間正好相反。

研究團隊為這種現(xiàn)象取名：

“子晶格二分性”（sublattice dichotomy）

通俗地說，這對住在同一個晶胞里的“雙胞胎”，竟然展現(xiàn)出了完全不同的電子特性。

圖1 ： 國際象棋棋盤的黑白格分別代表單層 FeSe 中的兩套鐵子晶格，格子上的紅藍(lán)峰代表實驗測量到的超導(dǎo)相干峰。

04

新配方的秘密：兩種機制同時工作

為什么會出現(xiàn)這種奇特現(xiàn)象？

理論分析給出了答案。

在單層鐵硒中，兩種不同的超導(dǎo)配對機制正在同時發(fā)揮作用：

• 第一種是傳統(tǒng)的帶內(nèi)配對（intraband pairing），這是多數(shù)超導(dǎo)體中常見的配對機制。

• 第二種則是帶間配對（interband pairing），它源于界面引入的反演對稱性破缺。

有趣的是，這種帶間配對的思想其實可以追溯到幾十年前。

著名物理學(xué)家楊振寧曾提出一種特殊的配對機制 ——η 配對。

2013 年，中國科學(xué)院物理研究所的胡江平研究員在理論上提出，在單層 FeSe 這樣的體系中，可能存在一種奇宇稱的 η 配對，并在超導(dǎo)中發(fā)揮重要作用。

如今，這項新的實驗結(jié)果首次為這一理論提供了直接證據(jù)。

由于兩種配對機制在兩個子晶格上的貢獻不同，就產(chǎn)生了實驗上觀察到的子晶格二分性。

05

這意味著什么？

這項研究最重要的啟示是：

單層 FeSe 中顯著增強的超導(dǎo)溫度，很可能與新出現(xiàn)的帶間配對通道有關(guān)。

換句話說，超導(dǎo)增強不僅來自傳統(tǒng)的電子相互作用，還與界面引入的對稱性破缺密切相關(guān)。

這個新的配對通道，就像給超導(dǎo)機制增加了一臺“助推器”。

更重要的是，這項工作揭示了一條新的研究思路：

在探索更高溫超導(dǎo)材料時，除了關(guān)注電子之間的相互作用，還需要關(guān)注：

• 子晶格自由度

• 界面效應(yīng)

• 對稱性破缺

這些過去容易被忽視的因素，可能正是打開高溫超導(dǎo)大門的重要鑰匙。

這項研究已發(fā)表于《Physical Review Letters》（Phys. Rev. Lett.136, 066502 (2026)），并受到國際同行的廣泛關(guān)注。

它告訴我們，在原子尺度上，即使是一個晶胞內(nèi)部極其細(xì)微的結(jié)構(gòu)差異，也可能決定宏觀量子現(xiàn)象的性質(zhì)。

也許在未來，通過精確操控原子結(jié)構(gòu)，人類真的可以設(shè)計出全新的量子材料。

而量子的奧秘，往往就隱藏在這些看似微不足道的原子“細(xì)節(jié)”之中。

作者：王立莉 清華大學(xué)物理系研究員；胡江平 中國科學(xué)院物理研究所副所長、研究員，凝聚態(tài)理論領(lǐng)域?qū)＜?，新基石研究員。

編輯：丁香葉子

文章轉(zhuǎn)載自“中科院物理所”微信公眾號