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超导性在一种曾被认为仅具有磁性的材料中被“开启”
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超导性在一种曾被认为仅具有磁性的材料中被“开启” 超导性——即材料在不产生任何热能损耗的情况下传导电流的能力——使得高效、超高速电子器件成为可能，这对于磁共振成像（MRI）设备、粒子加速器以及潜在的量子计算机等先进技术至关重要。最新研究表明，碲化铁（FeTe）这种由铁和碲两种化学元素组成、长期以来被认为只是普通磁性金属的化合物，实际上是一种超导体。研究人员发现，材料中隐藏的过量铁原子会诱导其磁性，而去除这些原子后，电流便可以在零电阻状态下流动。 这项研究由宾夕法尼亚州立大学物理学教授崔祖昌（Cui-Zu Chang）领衔，共发表了两篇论文，并于今日（4月1日）背靠背刊登在《Nature》期刊上。第一篇论文重点研究如何在FeTe中“开启”超导性，而第二篇论文则揭示了一种新的“量子舞蹈”现象：当在材料表面引入不同的顶层结构时，超导性会与其原子结构相互作用，从而使研究人员能够调控其行为。 “不同于著名的铁基超导体硒化铁（FeSe），尽管FeTe具有几乎相同的晶体结构，但长期以来一直被认为是没有超导性的磁性金属，”崔祖昌表示，“为什么FeTe不具备这种重要性质一直是一个谜。” 揭示FeTe中隐藏的超导性 为了探究这两种密切相关的化合物为何表现出如此不同的性质，研究团队采用一种称为分子束外延的技术生长FeTe薄膜。该技术通过将源材料共同蒸发沉积到合适的衬底上，制备出原子级薄且极其洁净的样品。然而，当研究人员利用一种称为扫描隧道显微镜的专用设备在原子尺度上观察FeTe样品时，他们发现材料并非完全理想：晶格中嵌入了额外的铁原子。 “这些过量的铁原子破坏了FeTe中铁和碲原子的一比一理想比例，从而打破了磁性与超导性之间的平衡，”崔祖昌解释说。研究人员因此推测，如果能够去除这些多余原子，获得真正纯净的FeTe，材料可能会表现出超导性。 研究团队提出了一种精确控制FeTe纯度的方法，即将FeTe薄膜暴露在含碲蒸气的环境中，以补偿过量铁原子的影响，使材料趋于理想状态。 “最终得到的理想FeTe在约13.5开尔文（约-435华氏度）的临界温度下表现出超导性，”崔祖昌表示，“过量的铁原子掩盖了其超导性，导致人们数十年来一直认为FeTe只是普通磁性金属。我们的发现重新定义了这一类含铁化合物的相图。” “类似现象很可能也存在于其他关联材料中，在这些材料里，隐藏的超导态或竞争性的磁有序状态，往往只有在无序被去除或得到精确控制时才会显现。理解无序所起的关键作用，将有助于我们在其他材料中发现并稳定这些隐藏的超导态。” 利用莫尔条纹工程化调控超导性 在第二篇论文中，在确认FeTe本征上是一种超导体之后，研究团队进一步探索了如何对其超导态进行工程化调控。他们通过在FeTe表面生长具有不同晶格结构的薄层材料，构建了层状结构。由于两种材料的原子排列不同，在界面处会形成一种更大的周期性结构——称为莫尔超晶格。 “界面处晶体结构的不匹配会产生我们所说的莫尔超晶格，从而改变FeTe的超导性质，”崔祖昌表示，“近年来，二维材料中的莫尔超晶格已成为发现新型量子态的重要平台。” 利用能够在原子尺度成像的扫描隧道显微镜，研究团队直接观察到超导性呈现出一种重复的液滴状分布模式——研究人员将其称为“量子舞蹈”——并且这一模式遵循莫尔超晶格的周期。他们还发现，通过改变顶层材料，可以对这种模式进行调节。 “晶格结构在超导体中的作用往往被忽视，”崔祖昌表示，“我们的研究结果促使人们重新关注超导性与晶格结构之间的相互作用，并强调通过莫尔界面工程可以成为调控超导性、设计下一代量子材料的一种潜在强有力工具。” Publication details Zi-Jie Yan et al, Stoichiometric FeTe is a superconductor, Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10321-0. www.nature.com/articles/s41586-026-10321-0 Zihao Wang et al, Moiré engineering of Cooper-pair density modulation states, Nature (2026). DOI: 10.1038/s41586-026-10325-w. www.nature.com/articles/s41586-026-10325-w Journal information: Nature |
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