常翠祖在Nature同期发表两项超导与莫尔调控成果,为铁基体系机理研究提供新证据

问题——长期以来,铁基超导体系中“磁性与超导的关系”一直是凝聚态物理的重要议题。以FeTe为代表的铁硫族材料过去常被认为是反铁磁金属,其超导多掺杂、加压或异质结构条件下出现,因此学界对“超导是否属于材料本征属性”“磁序源于何种微观机制”仍存在争论。另一上,莫尔超晶格近年在二维体系中显示出调控关联电子态的能力,但在晶格对称性差异很大的材料之间,如何稳定构筑可控莫尔结构、并继续调控与超导有关的集体量子态,仍缺少可复制的外延路线和直接的实空间证据。 原因——《自然》同期发表的两项研究,分别从“厘清材料本征性质”和“在异质结构中实现量子态设计”两个层面推进了该问题。第一项研究聚焦FeTe薄膜生长中的化学计量比偏离。研究团队用分子束外延制备FeTe薄膜,并在碲气氛中进行生长后退火。通过自旋极化扫描隧道显微镜与谱学测量,他们指出:生长态薄膜中的反铁磁序并非FeTe本征属性,而与填隙铁原子有关。填隙原子破坏理想的1:1化学计量比,从而诱导磁性有序。经碲退火去除填隙铁原子后,得到更接近化学计量比的FeTe薄膜,反铁磁序随之消失,并出现稳定超导特征,临界温度约13.5K;研究还通过库珀对隧穿、零电阻与迈斯纳效应等多项证据加以验证。该结果纠正了“FeTe天然为反铁磁金属”的传统印象,将争议重新聚焦到生长缺陷与成分控制对电子相竞争的关键影响。 第二项研究将重点推进到“可设计的超导量子态”。研究团队在双层异质结构中引入莫尔工程:将单层五重层拓扑绝缘体Sb₂Te₃外延堆叠在六单胞反铁磁FeTe层上。扫描隧道显微镜与谱学结果显示,Sb₂Te₃的六角碲晶格与FeTe的方形碲晶格之间形成莫尔超晶格,并对体系中的两个超导能隙产生空间调制。进一步借助约瑟夫森扫描隧道显微镜与谱学测量,研究获得与莫尔周期一致的库珀对密度调制(CPDM)态的直接实空间成像。更重要的是,通过将Sb₂Te₃替换为Bi₂Te₃,研究实现了对CPDM态周期与幅度的同步调控,表明该量子态具备可工程化调节的特征,而非偶然出现的实验现象。 影响——两项成果共同勾勒出更清晰的研究图景:其一,理解FeTe相图必须把“缺陷与计量比”放在核心位置,反铁磁性与超导性的竞争很可能在很大程度上由成分偏离与局域结构缺陷驱动;其二,在异质结构平台上,莫尔超晶格不仅能重塑能带与局域态密度,也能对配对相关的集体态产生可观测且可调的空间调制,为“从材料发现走向量子态设计”提供了直接的实验路径。对超导电子学、拓扑超导探索以及低维量子器件而言,这些结果提示:依靠外延生长与界面工程实现的精细结构控制,可能是获得新量子相的重要手段。 对策——从科研组织与技术路线看,上述进展也提出了需要进一步强化的方向:一是将化学计量比、缺陷密度、退火条件与界面反应等关键“制备变量”纳入更标准化的表征体系,建立可复现的实验流程,减少样品差异引发的相图分歧;二是推动多手段交叉验证,形成输运、磁学、扫描探针与结构表征的闭环,提高区分“本征效应与外因效应”的可靠性;三是围绕莫尔工程发展可规模化的外延策略与可调参数库,推动从单一体系展示走向可迁移的方法学,服务更多超导、拓扑与强关联材料的组合研究。 前景——业内认为,随着制备精度和测量手段提升,铁基超导研究正在从“现象归纳”转向“机制拆解”,并进一步走向“可设计相态”。化学计量比FeTe被证明具有本征超导特性,为围绕FeTe及其界面体系的研究提供了更稳定的物理起点;而莫尔诱导的CPDM态实现了实空间成像并可调控,则为探索更复杂的配对纹理、界面相互作用乃至与拓扑性质耦合的超导态提供了新的实验坐标。两项成果同一期发表于《自然》,也反映出凝聚态物理领域对“材料精确控制与量子态工程化”路线的持续关注。

常翠祖的两项最新研究展示了其在凝聚态物理领域的长期积累,也说明了中国科学家在国际前沿问题上的创新能力。从量子反常霍尔效应到铁基超导体研究,他的科研路径不断强调基础研究的价值。随着中国在量子材料方向的持续投入,未来有望出现更多具备全球影响力的原创成果,为物质科学前沿探索贡献中国力量。