鐵基超導體中的隱藏機制：從η配對到子晶格二分性

|作 者：汪然1,2 郝寧1,?

(1 中國科學院合肥物質科學研究院 強磁場科學中心）

(2 中國科學技術大學 科學島研究生分院)

本文選自《物理》2026年第4期

高溫超導的機理是凝聚態物理的圣杯之一。自銅氧化物超導體被發現以來，人們一直在尋找能夠揭示其奧秘的鑰匙。鐵基超導體的發現為這個領域注入了新的活力，但同時也帶來了新的困惑：鐵基超導體的配對對稱性究竟是什么？這個問題的答案，直到最近才在一項理論與實驗緊密結合的研究中初露端倪。這項研究揭示了隱藏在鐵基超導體中的“奇宇稱”秩序，并將楊振寧先生提出的η配對理論[1，2]從理想模型帶入了真實材料。

1 被忽視的子晶格自由度

鐵基超導體的基本結構單元是一個Fe-As/Se三層結構(圖1)。從上方俯瞰，鐵原子似乎排列成簡單的正方晶格。然而，仔細觀察會發現，每個原胞中實際上包含兩個鐵原子，它們分別與頂層和底層的As/Se原子成鍵，形成A和B兩套子晶格。在體材料中，空間反演對稱性要求這兩套子晶格的物理性質完全相同——就像照鏡子一樣，左邊和右邊沒有區別。

這種對稱性看似平凡，卻對超導配對施加了嚴格的約束。大多數理論模型為了簡化計算，將每個原胞近似為只包含一個鐵原子的“1-Fe原胞”，從而丟失了子晶格這個關鍵的自由度。這就好比研究一個雙原子分子卻只用一個原子來描述，必然會遺漏許多重要的物理信息。

圖1 單層FeSe的空間結構：左圖為三維結構，右圖為俯視平面結構

2 被忽視的η配對通道

η配對最初由著名物理學家楊振寧于1989年在對哈伯德模型的研究[1]中提出。它是一種在相鄰格點具有相反相位的超導態，在二維晶格中可以寫成
，這里的就像國際象棋棋盤上黑白格的交錯分布。這意味著η配對產生的庫珀對不是靜止的，而是具有總動量Q=(π, π)。

楊振寧的這一理論構造長期以來被視為一個有趣的數學解，但似乎與真實材料相距甚遠。直到2013年，中國科學院物理研究所胡江平發表了一篇具有前瞻性的理論工作[3]，才將η配對與鐵基超導體聯系起來。胡江平指出，在真實的鐵基超導體中，原胞是包含兩個鐵原子的“2-Fe原胞”，以往基于“1-Fe原胞”有效模型的分析忽視了可能存在的奇宇稱超導態。“2-Fe原胞”的空間反演中心在最近鄰的兩個鐵原子之間，Q=(π, π)恰好是其倒空間的倒格矢，因此天然允許相鄰鐵原子相位相反的超導配對。如果將這個通道映射到常用的“1-Fe原胞”有效模型，它等價于動量空間的配對(圖2)。胡江平將它與楊振寧的理論相聯系，稱其為動量空間的η配對。

圖2 “2-Fe”原胞晶格的倒空間布里淵區、Q矢量(綠色虛線箭頭)以及η配對(紅色虛線雙箭頭)

2 實驗發現單層FeSe中的子晶格二分性

理論預言需要實驗的檢驗。單層FeSe生長在SrTiO3襯底上，為檢驗提供了理想平臺。塊材FeSe的超導轉變溫度極低，只有約9 K。但2012年薛其坤團隊發現[4]，生長在SrTiO3上的單層FeSe的轉變溫度可以被提升至40 K以上，后續甚至出現了超過65 K的記錄。為解開轉變溫度提升的謎題，相關研究團隊對單層FeSe的晶格結構和物性進行了深入研究。

2026年，丁翠等人發表了系統性研究文章[5]，他們通過分子束外延技術在SrTiO3(001)襯底上制備出了原子級平整、無任何電子調制的單層FeSe-(1×1)薄膜。利用原子分辨的掃描隧道顯微鏡，他們首次觀察到了一個令人驚異的現象：兩套鐵子晶格的隧道譜在超導能隙內表現出截然相反的粒子—空穴不對稱性。研究團隊將這一現象命名為“子晶格二分性”。

圖3 FeSe電子掃描隧道譜的子晶格二分性 (a)α-Fe上的隧道譜；(b)β-Fe上的隧道譜

具體來說，超導能隙表現為雙能隙結構：內能隙相干峰位于約±10 mV處，外能隙相干峰位于約±(15—17) mV處。對于α-Fe子晶格，內能隙的空穴側(+10 mV)相干峰強度顯著高于電子側(-10 mV)；而對于β-Fe子晶格，情況完全相反：電子側相干峰強度更高(圖3)。更有趣的是，外能隙相干峰的強度對比與內能隙完全相反。這種在原子尺度上、嚴格對應兩套子晶格的譜學二分性，是過去從未被觀察到的。

4 正常配對與η配對的共存

這一實驗發現與2013年的理論預言[3]驚人地吻合。研究團隊構建了一個基于倒空間布里淵區M點附近的有效k·p模型，并同時引入了正常配對(k, -k)和η配對(k, -k+Q)。計算得到的兩個子晶格上的局域態密度，完美復現了實驗觀察到的子晶格二分性。重要的是，無論是僅有正常配對，還是僅有η配對，都無法產生這種二分性。只有兩者共存，且由于界面耦合導致的反演對稱性破缺時，才能出現這種效應。因此，實驗直接證明：在單層FeSe/SrTiO3中，超導態確實是由正常配對和η配對共同構成的混合宇稱態——更準確地說，是空間反演對稱性破缺下偶宇稱與奇宇稱配對的共存態。

這里需要特別說明的是，在體材料中(具有嚴格的反演中心)，宇稱是守恒的，正常配對和η配對只能以特定組合形成純奇宇稱或純偶宇稱態。而在單層FeSe/SrTiO3中，界面效應破壞了空間反演對稱性，宇稱不再是好量子數，因此兩種配對可以以任意權重共存，從而產生了實驗觀測到的子晶格二分性。這正是為什么該體系能夠揭示η配對特征的關鍵所在。

5 意義與展望

這項研究的意義是多層次的。首先，它將楊振寧先生提出的η配對理論，從哈伯德模型半滿情形的精確解，提升為真實高溫超導材料中的實際配對機制。η配對不再是理論家的“玩具”，而是可以在實驗室中被觀測和調控的物理實在。其次，它解決了鐵基超導領域長期存在的配對對稱性爭議，指出奇宇稱s波是統一描述不同鐵基超導家族的候選基態。第三，它為理解單層FeSe的高溫超導機制提供了關鍵線索：超導轉變溫度的顯著提升，很可能源于界面效應激活了新的η配對通道。

子晶格二分性的發現，不僅揭示了鐵基超導體中隱藏的量子秩序，也為探索其他強關聯電子體系中的奇宇稱超導提供了新思路。正如胡江平在文章中所言：“在凝聚態物理的歷史中，一個新的凝聚態量子態并非通過求解某個模型就能輕易獲得?！彼枰碚撆c實驗的緊密互動，需要在看似復雜的晶體結構中，辨識出那些被忽視的對稱性和自由度。

這項研究也再次證明，在凝聚態物理中，最深刻的進展往往源于對最基礎概念的重新審視——在這里，是宇稱、對稱性，以及楊振寧40年前埋下的那顆名為“η配對”的種子。從哈伯德模型中的數學構造，到鐵基超導體中的物理實在，η配對走過了漫長的道路。而這條道路的終點，或許正是通往高溫超導機理核心的一扇新的大門。

參考文獻

[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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