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花朵状图案揭示手性超导长期追寻的“指纹”
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花朵状图案揭示手性超导长期追寻的“指纹” 通过一项精心设计的实验，以及少量锡原子的巧妙排布，University of Tennessee, Knoxville的物理学家发现了一种长期以来备受追寻的超导形式，这为构筑可定制量子材料又迈出了重要一步。 一个多世纪以来，科学家一直了解超导现象：在低温下，某些材料的电阻会完全消失，电流能够无能量损耗地流动。超导体已经广泛应用于粒子加速器和磁共振成像设备。尽管这些材料需要极低温环境才能工作，但其基本机制已相当清楚：通常彼此排斥的电子会形成配对，并共同传导电流。 ## 曲折而奇妙的手性超导 手性超导则完全是另一番景象。在这种状态下，电子对不再遵循通常的对称性，而是表现出明确的左旋或右旋“手性”。由于这种相态在量子技术中具有巨大潜力，科学家们已为此探索了数十年。 2023 年，Hanno Weitering 教授和 Steve Johnston 教授在《自然·物理》上发表研究，报告称：通过在硅基底上精确散布锡原子，可以形成一种超导体。他们当时还提出，这一体系可能是一种潜在的手性超导体。而此次发表于《Physical Review X》的最新研究，则为这一猜想提供了直接证据。 研究团队在硅衬底上精确沉积了三分之一单层的锡原子，并利用先进的成像技术捕捉到了手性超导独有的特征图案。 ## 简洁体系中的美丽干涉图样 Weitering 表示，锡—硅体系在结构和电子性质上的简洁性，是成功观察到手性的关键。相比之下，更复杂的材料往往存在重叠的电子态和多重相互作用，会掩盖手性超导的典型信号。 在这个体系中，“三分之一单层”意味着锡原子以受控方式沉积在硅表面，并且彼此间距较大。这些原子会自发排列成规则的三角晶格，而这种几何结构至关重要。 “高温铜氧化物超导体中不存在手性，因为它们具有方形晶格，”Weitering 解释道，“那会产生完全不同的超导相。而在锡层中，手性能够出现，因为这里的晶格不是正方形，而是三角形。” 为了观察手性超导独特的“指纹”，研究人员采用了一种称为准粒子干涉成像（QPI）的技术。 “在凝聚态体系中，这些粒子始终处于会影响其行为的环境中，因此它们不再是孤立的单个粒子，”Weitering 说，“它们的行为总是受到周围环境影响，所以我们称之为准粒子。” 他进一步解释，如果把电子看作波，就像向池塘不同位置连续投入石子一样，波纹会相互碰撞。 “这就形成了干涉图样，”他说，“这正是准粒子干涉的来源。借助扫描隧道显微镜（STM），我们可以直接观察到这些波。准粒子相互干涉，从而产生这些美丽的图案。” ## 缺陷周围的“手性签名” 手性的关键标志就编码在围绕点缺陷形成的这些干涉图样中。这里的点缺陷，往往只是单个原子的缺失或替换。 “这可能是一个缺失的锡原子；也可能是一个锡原子被硅原子取代，因为下面就是巨大的硅原子储层，有时原子会发生交换，”Weitering 解释说。“晶体永远不可能完美，总会存在一些缺陷。而在这个体系中，一个至关重要的优势是：通过 STM，我们能够看到锡层中的每一个点缺陷。” 这项研究有望成为利用 QPI 探测其他非常规超导态的范例。 “多数超导体的发现多少带有偶然性，”Weitering 说，“但这一次，一切都是经过精心设计的。” ## 通向量子器件的重要一步 实现材料的可定制化，是走向实际应用的重要环节。 “量子材料通常只有在能够制成器件时才真正有用，”Weitering 解释道，“而制造器件通常需要制备薄膜和界面。” 他指出，手性超导体同时也是拓扑超导体。 “人们之所以对拓扑体系如此兴奋，是因为拓扑超导体有望用于构建量子计算中的量子比特。” 量子比特在存储和处理信息时，对温度、环境辐射等外界干扰极其敏感。 “拓扑体系的有趣之处在于，其拓扑性质并不是局域的，而是整体性的，”Weitering 说，“正因为它是整体性质，所以对局部扰动的敏感性要低得多。” ## 一朵“花”带来的灵感 尽管锡—硅体系本身是有意设计的，但真正识别出手性图案的过程，却多少带有一点偶然性。 Weitering 的前博士后研究员明方飞如今已在中国担任教授。他向 Weitering 发送了一些由其团队获得的 QPI 图像。这些图像显示，随着实验技术的提升，细节越来越清晰——尤其是其中出现了类似花朵的图案。 Weitering 对此印象深刻，并将结果展示给助理教授 Ruixing Zhang。 “Ruixing 一看到这个图案，就注意到了页面中央非常引人注目的特征，”他说。 随后，Zhang 回到办公室，让他的研究生陈卓和蔡宇畅进行了数值和解析计算。结果证明：只有手性超导，才会产生这种中心带有原子尺度空洞的花朵状 QPI 图案——这正是手性超导的“指纹”。 “Ruixing 的直觉完全正确，”Weitering 说。他承认，当初向 Zhang 展示图像时，自己更多关注的是图像的清晰度。 “我当时其实只是想炫耀一下。”他打趣道。 ## 合作推动科学前进 Weitering 强调，拥有优秀的合作伙伴对于推动基础研究至关重要。 “如果你独自做科学，是永远走不到终点的。” 此次 PRX 论文由 Weitering、Zhang、Johnston、Chen、Cai 以及来自中国的多位合作者共同完成。 目前，Weitering 和 Zhang 正在整理更多 QPI 图像中的图案，并计划建立一个数据库。他们希望训练一个机器学习模型，使其能够自动识别这些复杂而精细的干涉特征。 “这实际上是我们材料研究科学与工程中心（MRSEC）项目的一部分，”Weitering 说，“它利用人工智能分析数据、整理数据。训练 AI 需要大量数据，不仅包括理论数据，也包括实验数据。此外，还需要利用实验验证理论预测。” 验证理论预测并不断向前推进，正是他研究工作的核心。 “我们首先发现了超导性，”Weitering 说，“然后又发现了手性超导。每一步，我们都在更进一步。” Publication details Xuefeng Wu et al, Microscopic Fingerprint of Chiral Superconductivity, Physical Review X (2026). DOI: 10.1103/jmmf-mpr8 |
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Microscopic Fingerprint of Chiral Superconductivity Xuefeng Wu1,*, Xuan Hao1,2,*, Zhuo Chen3,*, Yuchang Cai3, Minghao Wu2, Congrun Chen2, Kedong Wang 2,†, Fangfei Ming 4,‡, Steven Johnston 3,5 et al. Share Phys. Rev. X 16, 011026 – Published 17 February, 2026 DOI: https://doi.org/10.1103/jmmf-mpr8 Export Citation Article has an altmetric score of 57 Show metrics Abstract Chiral superconductors have long been theorized to break time-reversal symmetry and support exotic topological features such as Majorana modes and spontaneous edge currents, promising ingredients for quantum technologies. Although several unconventional superconductors may exhibit time-reversal symmetry breaking, clear microscopic evidence of chiral pairing has remained out of reach. In this work, we demonstrate direct real-space signatures of chiral superconductivity in a single atomic layer of tin on Si(111). Using quasiparticle interference imaging, we detected symmetry-locked nodal and antinodal points in the Bogoliubov quasiparticle wave function, tightly bound to atomic point defects in the tin lattice. These nodal features, along with their surrounding texture, form a distinct real-space pattern exhibiting a clear and exclusive hallmark of chiral superconductivity. Our findings, reinforced by analytical theory and numerical simulations, offer unambiguous evidence of chiral pairing in a two-dimensional material. |
2楼2026-05-13 10:25:00