中国研究团队在铁基材料单层单元厚度的超导研究中报告新进展。清华大学薛其坤和王莉莉领衔的实验工作显示，单层铁硒（FeSe）体系中两个原子“亚晶格”之间存在显著差异，该差异与超导态相伴出现，并在临界温度以上消失。研究成果发表在《物理评论快报》。

单层FeSe超导问题

超导体在温度降至临界温度以下时可使电流几乎无阻力流动。多数已知超导体的临界温度接近绝对零度，但近几十年来，更多材料在更高温度下呈现超导效应。

研究背景之一是，2012年科学家在单层单元厚度的FeSe薄层中观察到超导性。该薄层由Se–Fe–Se三层构成，总厚度约0.55纳米。尽管这一超薄体系表现出强超导效应，但其形成机制长期未明。

在单个晶格单元内，Fe原子可视为形成两个交织的“亚晶格”重复图案，这与晶格对称性以及Fe位点缺乏简单反演中心有关。2013年，中国科学院胡江平（本研究通讯作者之一）提出理论框架，认为三层FeSe中的超导序参量可能与其异常的原子晶格结构相关。

原子分辨率测量区分两亚晶格

按照相关理论设想，双亚晶格结构可能为电子运动引入新的“自由度”，使电子在不同亚晶格上的行为出现差异，并可能通过两亚晶格电子之间的相互作用影响超导。

为检验这一点，王莉莉团队采用扫描隧道显微镜（STM）与扫描隧道光谱（STS）对样品进行原子分辨率表征，获取特定原子位点电子态密度随能量变化的信息。研究人员表示，FeSe-(1×1)相的结构均匀性使其能够在单个晶胞内分辨两个Fe亚晶格，并直接比较两者的电子光谱。

“亚晶格二分性”随超导态出现

在超导体中，费米能级附近电子形成库珀对并打开能隙。隧穿测量中，双能隙通常表现为零能附近的零导电平台及两侧的相干峰，对应内隙与外隙；费米能级以下的态常被称为空穴态，以上为电子态。

团队报告称，其隧穿光谱中相干峰清晰呈现空穴态与电子态特征，并且两个亚晶格之间出现显著对比：一个亚晶格上空穴态峰更突出，而另一个亚晶格则电子态峰更明显；同时，双能隙相干峰的强度对比也发生反转。研究人员将这一现象命名为“亚晶格二分性”，并指出该二分性在材料临界温度以上消失。

模型指向带内与带间配对共存

研究团队给出的理论模型认为，观测到的亚晶格二分性可由两种配对通道共存解释：其一为带内配对，即电子在同一能带内形成库珀对；其二为带间配对，即来自不同能带的电子发生配对。模型指出，带间单态配对与两亚晶格结构相关，并由FeSe/SrTiO3界面反演对称性破缺引入。

研究还提出，超导转变温度的提升与额外带间配对通道的激活有关；该通道与胡江平十多年前提出的相关思路相联系，被描述为对哈伯德模型中“-配对”概念的扩展。胡江平表示，这些结果为单层FeSe的配对机制提供了新线索，并凸显亚晶格自由度在非常规超导性中的作用。