近日，南方科技大学物理系、量子功能材料全国重点实验室殷嘉鑫副教授课题组联合粤港澳大湾区量子科学中心及国内外合作者，在笼目超导体有限动量配对研究方向取得重要进展。研究团队利用原子级非磁性杂质设计、约瑟夫森扫描隧道显微镜和超高能量分辨率扫描隧道谱学方法，在笼目超导体 KV₃Sb₅ 中发现，等价非磁性 Ta 杂质能够显著抑制 2×2 配对密度波，而电荷序和均匀超导仍保持稳健。结合 X 射线衍射、角分辨光电子能谱、第一性原理计算和理论模型分析，研究团队进一步排除了电荷序破坏、费米面重构和磁性散射等可能解释，揭示了非磁性杂质对配对密度波的拆对效应。该结果为笼目超导体中配对密度波的相位符号反转提供了关键的相位敏感证据。相关成果以 “Phase-sensitive evidence for pair density wave in a kagome superconductor” 为题发表在国际学术期刊 Proceedings of the National Academy of Sciences 上。早在 60 多年前，Fulde、Ferrell、Larkin 和 Ovchinnikov 就预言，超导体中可能存在一种不同于传统均匀超导的有限动量配对态[Phys. Rev. 135, A550 (1964); Sov. Phys. JETP 20, 762 (1965)]。在普通超导体中，库珀对通常具有零总动量，超导序参量在空间中近似均匀；而在有限动量配对态中，库珀对可以携带非零总动量，使超导序参量在空间中发生周期性变化。配对密度波正是有限动量配对的重要形式之一，其核心特征不仅是超导强度的空间调制，更可能伴随超导序参量的相位符号反转。因此，如何获得相位敏感证据，一直是配对密度波研究中最关键的问题之一。这一问题的判别并不简单。近期，李东海等人从理论上提出，在非常规超导体中非磁性杂质引起的拆对散射干涉本身也可能导致超导能隙或配对强度的空间调制[Phys. Rev. B 110, 224509 (2024)]。在这种机制中，调制并不需要配对密度波的相位符号反转，而且随着杂质散射增强，调制信号反而可能增强。与之相反，如果调制来自具有相位符号反转的真实配对密度波，非磁性杂质会通过拆对效应破坏这一相位结构，从而抑制配对密度波。因此，可控引入非磁性杂质后，配对调制究竟增强还是被抑制，成为区分两类机制的直接判据。本工作正是抓住这一对立预言，给出了笼目超导体配对密度波的相位敏感实验证据。图1：配对密度波与其他机制导致的配对/能隙调制的比较真正的配对密度波具有超导序参量的相位符号调制，而杂质散射干涉等机制可以产生幅度调制，但不具有相位符号反转笼目晶格由顶点相连的三角形组成，具有几何阻挫和多子晶格结构，是探索非常规电子态的重要平台。近年来，笼目超导体 AV₃Sb₅（A = K, Rb, Cs）因同时具有电荷序、拓扑能带和非常规超导电性，成为研究有限动量配对和配对密度波的代表性体系。围绕这一方向，殷嘉鑫课题组近几年开展了系统研究，在 K、Rb、Cs 三个 AV₃Sb₅ 体系中观察到具有普遍存在性的 2×2 配对调制、手性超导调制、剩余费米弧以及可切换手性配对密度波等现象，并揭示出这些非常规超导特征与笼目超导时间反演对称性破缺之间的密切联系 [Nature 632, 775–781 (2024); Chin. Phys. Lett. 41, 097401 (2024); Phys. Rev. B 113, 125127 (2026); Nat. Mater. 23, 1639–1644 (2024)]。这些工作为进一步检验笼目配对密度波的相位结构奠定了基础。然而，仅观测到空间调制仍不足以直接证明配对密度波最核心的相位符号反转特征；必须进一步检验其对非磁性杂质的响应。本工作中，研究团队选择 KV₃Sb₅ 作为研究平台，并将等价非磁性元素 Ta 掺入 V 构成的笼目晶格中。Ta 与 V 同族，可以在尽量不显著改变载流子浓度的情况下，引入原子级非磁性杂质。输运和磁化率测量显示，Ta 掺杂后材料的电荷序仅轻微减弱，而超导电性显著增强。扫描隧道显微镜进一步在高偏压形貌图中分辨出 Ta 杂质位置，并在低偏压形貌图中确认 2×2 电荷序仍然存在。研究团队还利用超导 Nb 针尖开展约瑟夫森扫描隧道显微镜测量，探测到局域库珀对密度及其 2×2 空间调制。图2：Ta 掺杂 KV₃Sb₅ 中的原子级非磁性杂质、电荷序、超导能隙和约瑟夫森配对信号关键发现来自 Ta 掺杂样品与未掺杂样品的系统对比。约瑟夫森扫描隧道显微镜能够通过超导针尖和超导样品之间的库珀对隧穿，直接探测局域配对电子密度。实验发现，在相近测量条件下，Ta 掺杂样品中的 2×2 配对密度调制峰相比未掺杂样品降低约 65%。为了排除单一测量通道的影响，研究团队进一步使用普通金属针尖开展超高能量分辨率扫描隧道谱测量。通过精确追踪超导相干峰位置，研究团队提取出局域超导能隙调制，并在此前约 1 μeV 空间能量分辨能力的基础上，将原子尺度空间成像条件下的能量分辨能力进一步推进到 0.1 μeV 量级。结果显示，Ta 掺杂样品中的 2×2 超导能隙调制同样被显著抑制，降低幅度约为 66%。两个彼此独立的实验通道得到几乎一致的结果，说明非磁性杂质对 2×2 配对密度波的破坏是稳健的实验现象。图3：约瑟夫森扫描隧道显微镜和普通扫描隧道谱共同揭示 Ta 非磁性杂质对 2×2 配对密度波的显著抑制这一结果与简单耦合图像形成鲜明对比。若 2×2 配对调制只是由电荷序和均匀超导简单耦合诱导而来，那么在电荷序保持稳健、均匀超导增强的情况下，配对调制本应增强。然而实验中观测到的是：电荷序稳健、均匀超导增强，但 2×2 配对密度波被强烈抑制。为确认这一现象并非来自其他原因，研究团队结合多种手段进行验证：低能微分电导图、磁化率和 X 射线衍射表明，Ta 掺杂后 2×2 电荷序仍然稳健；ARPES 对比未掺杂和 4% Ta 掺杂 KV₃Sb₅ 的费米面，未发现可分辨的费米面拓扑变化；第一性原理计算进一步说明，Ta 掺杂并未显著改变低能电子结构，并支持电荷序和均匀超导的稳健性。局域扫描隧道谱和 DFT/RPA 计算还表明，Ta 杂质不太可能引入强磁性或诱导磁性。研究人员进一步在同一原子尺度区域同时获取 Ta 杂质位置和局域配对密度波强度图。通过傅里叶变换和反傅里叶滤波，研究团队提取出 2×2 超导能隙调制的局域振幅，并将其定义为局域配对密度波强度。结果显示，Ta 杂质位置与局域配对密度波强度之间存在负相关关系，说明配对密度波在 Ta 杂质附近具有统计意义上的减弱趋势。这一原子尺度空间关联进一步支持了非磁性杂质局域破坏配对密度波的物理图像。图4：Ta 杂质位置与局域配对密度波强度图揭示原子尺度 PDW 抑制效应为了理解非磁性杂质为何能够破坏笼目配对密度波，研究团队进一步结合理论模型进行分析。笼目晶格具有三个子晶格，在与 KV₃Sb₅ 相关的 p 型 van Hove 填充附近，费米面上的不同 M 点主要由不同子晶格贡献。这种子晶格干涉效应能够促进有限动量配对，并在理论上产生 2×2 配对密度波。基于 Abrikosov–Gor’kov 类型理论框架的分析表明，具有相位符号反转的配对密度波会对非磁性散射高度敏感，随着散射强度增加，配对密度波序参量会被持续抑制。这与实验中 Ta 掺杂导致 2×2 配对密度波显著减弱的结果高度一致。该工作揭示了非磁性杂质拆对效应这一配对密度波的基本量子特征，为笼目超导体中配对密度波的相位符号反转提供了关键的相位敏感实验证据。结合殷嘉鑫课题组此前在笼目超导体中的系列研究，本工作进一步完善了笼目超导体中有限动量配对和配对密度波的实验体系，也为在其他量子材料中识别非常规超导相位结构提供了新的实验范式。南方科技大学为论文第一完成单位。南方科技大学物理系、量子功能材料全国重点实验室阎萧宇、刘国威、邓翰宾，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心许锡童，粤港澳大湾区量子科学中心马海洋为论文共同第一作者。粤港澳大湾区量子科学中心秦海浪研究员和南方科技大学物理系、量子功能材料全国重点实验室殷嘉鑫副教授为论文共同通讯作者。中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心许锡童、赵海天、屈哲开展了样品合成、输运测量和基础物性表征。粤港澳大湾区量子科学中心 赵媛媛、马海洋，美国约翰斯·霍普金斯大学 Junyi Zhang，中国科学院理论物理研究所吴贤新，南京大学王达、王强华，以及德国维尔茨堡大学 Hendrik Hohmann、Matteo Dürrnagel、Ronny Thomale 和瑞士苏黎世联邦理工学院 Matteo Dürrnagel 参与了理论分析。日本东京大学 Yigui Zhong 和 Kozo Okazaki 开展了角分辨光电子能谱实验。北京大学郑希诠、彭莹莹开展了 X 射线实验。瑞士保罗谢尔研究所 Zurab Guguchia 参与了 μSR 相关物理分析。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省量子科学战略专项、广东省自然科学基金等项目支持。论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2604142123

近日，我国科学家在凝聚态物理领域的“世纪难题”——高温超导机理研究中取得关键突破。当地时间2026年5月21日，国际学术期刊Science在线发表南方科技大学、粤港澳大湾区量子科学中心、清华大学薛其坤-陈卓昱团队与中国科学技术大学何俊峰课题组合作的最新成果：首次在镍基高温超导薄膜中直接观测到无节点超导能隙，并发现了电子-玻色子耦合现象。这一发现为“超导能隙对称性”和“超导配对机制”这两个高温超导核心问题提供了重要实验证据，为深入理解高温超导机理奠定了关键实验基础，并将有望推动超导技术更广泛的应用。 超导现象自1911年被发现以来，因其极限电磁性能，一直是国际科学界的研究焦点。传统超导体转变温度极低、应用受限，因此探索高温超导材料、揭示其形成机理，成为该领域的核心命题。过去一个世纪，铜基与铁基两类高温超导材料相继问世，但其机理经数十年探索仍悬而未决。近期，镍基高温超导材料的出现，为破解这一世纪难题带来新的契机。因此，率先获得镍基高温超导机制的关键实验证据成为全球科学家的最新竞技场。近年来，薛其坤-陈卓昱团队连续攻坚，取得了一系列重要成果：团队首先发展了“强氧化原子逐层外延”（GAE）技术，攻克了复杂氧化物原子级制备的难题（2024年11月发表于《国家科学评论》）；随后，在镍氧化物薄膜中实现了常压高温超导（2025年2月发表于《Nature》）；并将双层镍氧化物薄膜在常压下的超导起始转变温度提升至60K以上（2026年3月发表于《国家科学评论》）；团队进一步构筑了系列高温超导人工超结构（2026年4月发表于《Nature》）。此次，中国科大-南科大联合团队在《Science》期刊发表的成果，在Ruddlesden-Popper相双层镍氧化物高温超导薄膜中揭示了“无节点超导能隙”和“电子-玻色子耦合”现象，为“超导能隙对称性”和“超导配对机制”这两个高温超导核心问题的理解提供了关键实验证据。这与前述材料及技术上的系列突破互为支撑，全方位展现了从“首创新技术”、“发现超导材料”、“提升超导温度”到“解密物理机制”的系统性攻关格局。超导能隙的对称性，是理解超导本质的核心。电子在超导体中两两配对，犹如跳双人舞——传统超导体跳的是"圆舞曲"，电子无论朝哪个方向都"手拉得一样紧"，能隙处处不为零，即s波对称性；铜基高温超导体则更像"探戈"，在某些特定方向上电子会"松手"、能隙归零，留下所谓"节点"，对应d波对称性。能隙有无节点，是判别高温超导物理属性的关键指标。此项研究首次在RP双层镍基高温超导薄膜中给出明确答案：其超导能隙没有节点，更符合s波（或s±波）对称性。这意味着，同为高温超导，镍基与铜基的配对机制也许并非一脉相承。图1无节点超导能隙的发现电子如何配对，是破解高温超导之谜的又一关键。电子本身带负电、彼此相斥，要让它们克服斥力结伴起舞，理论上有两类机制：一类无需"中间人"，电子在特殊环境中自行配对（如共振价键理论）；另一类则需要某种玻色子充当媒介、牵线搭桥传递吸引力。研究团队在实验中捕捉到一个关键的谱学信号——"能带扭折"：原本平滑的电子能量曲线在费米能级以下约70 meV处出现明显拐点，正是电子与玻色子耦合留下的"指纹"，证实镍基高温超导中存在电子-玻色子耦合，强烈提示其电子配对很可能由"中间人"促成。下一步，确认这位"中间人"究竟是哪种玻色子，或将成为最终阐明高温超导物理机制的关键所在。图2电子-玻色子耦合的发现该项成果是跨地域协同科研攻关生动写照。为了克服超导薄膜在室温真空中极易失氧而失去超导性的技术“卡点”，两校团队打破壁垒、不分彼此：南科大团队在深圳负责优化生长获得高质量薄膜样品；中国科大团队与南科大团队联合研发了超高真空低温淬火与样品传输新技术；最终，团队成功跨越1200多公里，将超导薄膜样品从深圳无损转移至合肥，运用中国科大研制的高分辨率激光角分辨光电子能谱进行高精度电子结构测量，并进一步结合上海同步辐射光源形成完备测量。这种跨越深圳、合肥、上海多地的大协作，将最顶尖的材料制备、设备研发与大科学装置精准结合，展现了中国基础科研集中力量办大事的显著优势。论文由薛其坤院士、中国科大何俊峰教授与南科大陈卓昱副教授共同领衔通讯作者。中国科大沈建昌、南科大/量子中心周广迪、中国科大缪宇、粤港澳大湾区量子科学中心李鹏与中国科大欧志鹏五位青年研究人员为共同第一作者，主导了本次实验突破。该研究得到科技部、教育部、基金委等项目支持。论文链接：https://doi.org/10.1126/science.adw8329

春潮涌动处，奋进正当时。当荔园的灯火映照塘朗山的月色，当求索的星火点亮不眠的实验室，南科大物理系教师团队以一月四篇《Nature》 正刊的亮眼成绩，在科学前沿刻下了属于自己的坐标。2026年4月，南方科技大学物理系，量子功能材料全国重点实验室迎来发展的历史性时刻：一个月内，4篇国际顶尖学术论文相继发表于《Nature》，以“月发四篇”的强劲势头刷新了科研产出纪录。01 原子级堆叠创制全新镍基超导材料4月8日，薛其坤-陈卓昱团队与中国科学技术大学沈大伟团队等合作，在常压镍基高温超导领域再获突破。相关成果以“Superconductivity and electronic structures of nickelate thin film superstructures”为题，发表在《Nature》上。镍基材料被认为是继铜基、铁基之后有望揭示高温超导机理的第三类体系。然而，其合成面临根本性矛盾：超导所需的高度氧化态与晶格稳定生长存在热力学冲突。研究团队自主研发的“强氧化原子逐层外延”（GAE）技术，在超强氧化氛围中开辟极端非平衡生长区间，使薄膜一步完成结构构建与充分氧化。凭借该技术，团队将纯双层结构（简称2222，化学式为(La,Pr)3Ni2O7/SrLaAlO4，其中SrLaAlO4为基底材料）超导薄膜的常压超导起始温度从约45 K提升至63 K；并按照人工设计的原子堆叠蓝图，精确合成出单层-双层（1212，化学式为：（La,Pr)5Ni3O11/SrLaAlO4）、单层-三层（1313，化学式为：(La,Pr)3Ni2O7，该超结构与2222具有相同的化学式但结构不同）和双层-三层（2323，化学式为：(La,Pr)7Ni5O17/SrLaAlO4）三种全新镍基超结构材料。其中1212和2323在常压下实现高温超导，起始转变温度分别达50 K和46 K，均突破麦克米兰极限。团队结合角分辨光电子能谱（ARPES）对四种堆叠结构进行比较研究，发现在超导的1212、2222和2323结构中，布里渊区顶角附近均存在γ能带形成的费米口袋；而不超导的1313结构中，这一γ能带未能形成费米口袋，从实验上识别出了决定超导与否的“电子基因”。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10352-702 磁性分类理论新框架的建立4月22日，刘奇航教授课题组在对称性分类磁性的基础理论研究中取得进展，相关成果以“Symmetry Classification of Magnetic Orders using Oriented Spin Space Groups”为题，发表在国际顶尖学术期刊《Nature》上。传统磁性划分依赖磁空间群框架，但其操作要求自旋与晶格旋转保持一致，无法完整描述磁序几何特性——磁序完全不同的共线铁磁、共线反铁磁等结构，其磁空间群甚至可能完全相同。如何严格界定铁磁与反铁磁的边界，是磁学与晶体学中的长期存在的基础问题。研究团队采用自旋空间群框架进行划分：若自旋空间群确保原胞内自旋完全补偿，则为反铁磁，否则为铁磁或亚铁磁。在此基础上，团队提出“定向自旋空间群”（OSSG），通过标定自旋相对于晶格的具体取向，同时包含自旋空间群和磁空间群的完整信息，成为更完整的对称性描述方案。基于该框架，团队进一步分类了一种特殊磁性：无自旋轨道耦合时自旋空间群强制净磁化为零，表现为反铁磁；引入自旋轨道耦合后对称性降低，允许产生有限磁化，因此命名为“自旋轨道磁性”。此类材料自旋序属反铁磁，却可表现出反常霍尔效应等铁磁体宏观物理性质（如反常霍尔效应、磁光克尔效应等）。该研究统一了磁空间群与自旋空间群两种对称性框架，为寻找非常规磁体提供了新理论工具。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10401-103 强磁场诱导的镍基重入超导4月23日，薛其坤-陈卓昱团队与香港城市大学物理系李丹枫团队合作，联合中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心、华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心等单位，在《Nature》发表了题为“Field re-entrant superconductivity in Eu-doped infinite-layer nickelates”的最新研究成果。研究团队在无限层镍氧化物（Sm0.95-xCa0.05EuxNiO2）中首次发现强磁场诱导的“重入超导”现象——强磁场非但未破坏超导，反而让消失的超导态“死而复生”。此前该现象仅见于极低温度的重费米子体系，本工作首次将其拓展至转变温度32 K的氧化物超导体中。通过精细调控Eu掺杂浓度，团队捕捉到“超导—正常态—超导”的奇特转变，并通过零电阻与抗磁性双重验证。该重入超导具有全角度鲁棒性，在0°到90°磁场方向下均稳定存在。特别是在高掺杂浓度下，高场态比低场态更稳健，表明经典“磁场抵消机制”不足以解释，磁关联诱导的非常规配对可能扮演关键角色。此外，霍尔电阻非线性和磁电阻磁滞等输运特征指向时间反演对称性破缺。该发现架起了连接高温超导与重费米子物理的桥梁，为探索强关联氧化物中的非常规超导机制开辟了新平台。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10547-y04 菱方石墨烯中的“穿越维度”反常霍尔效应4月29日，赵悦副教授团队、南京大学与上海科技大学合作，在实验中首次观测到一种“穿越维度“的反常霍尔输运行为，并揭示其对应的关联电子态特征（Transdimensional Anomalous Hall Effect），相关成果以“Transdimensional anomalous Hall effect in rhombohedral thin graphite”为题，发表在《Nature》上。传统反常霍尔效应仅源于面内电子轨道运动对应的面外轨道磁化，要求磁化、电流与霍尔电场三者正交。在三维体材料中，层间轨道相干性会被散射破坏，霍尔响应本质上是二维行为的厚度平均。而介于严格二维与三维体材料之间的“穿越维度”区间——样品非原子级薄层但未完全丧失层间相干性——此前长期未被探索。该区间内电子可同时进行面内与面外的相干轨道运动，有望催生耦合面内与面外轨道磁化的全新反常霍尔效应。研究团队选取2–5 nm厚的菱方堆垛石墨烯为平台，在九层器件中绘制出载流子密度–位移场相图，发现一个由强电子关联主导的异常相区。输运测量表明：霍尔电阻不仅在垂直磁场下呈现磁滞回线，在平行磁场下也观测到清晰的内禀磁滞回线。经严格排除伪效应后，团队确认该信号具有本征起源，命名为变维反常霍尔效应。该效应首次展现出巨大的面内轨道铁磁分量。物理起源在于：只有在“穿越维度”区间，电子才能同时维持面内与面外的相干轨道运动。理论计算表明，在特定条件下电子关联驱动体系自发破缺对称性，形成轨道铁磁金属态，内部同时产生面外与面内环路电流，分别对应两种轨道磁化。本研究首次从实验上揭示了一类与“穿越维度”区间相关的新型电子输运行为,为理解二维与三维之间的电子输运提供了新的视角。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10471-1四月四篇国际顶尖学术期刊《Nature》，是物理系科研人交出的阶段性答卷。每一篇论文的背后，都是无数次的实验、推导与坚持。科研之路道阻且长，行则将至。物理系将继续在科学前沿奋勇前行，探索未知，追求真理。

近日，南方科技大学物理系和量子功能材料全国重点实验室、粤港澳大湾区量子科学中心杨兵副教授课题组在大质量物质的量子隧穿与量子纠缠实验研究方面取得进展，相关成果以“Scalable generation of massive Schrödinger cat states via quantum tunnelling”为题，发表在国际学术期刊《自然-物理》（Nature Physics）上。量子隧穿是指粒子在动能低于势垒高度的情况下仍能穿越势垒的量子现象。自1927年洪特基于薛定谔方程提出该概念以来，量子隧穿已在固体物理、扫描隧道显微镜等领域得到广泛应用，其相关研究亦多次获得诺贝尔物理学奖（如1973年、1986年、2025年等）。然而，量子隧穿效应随粒子质量呈指数衰减，其在大质量物体中的实现长期面临挑战。图1: 超冷原子团簇量子隧穿的示意图例如，对于动能为1 eV的电子，其穿越高度为2 eV、宽度为0.1 nm势垒的概率约为0.36；而质量约为电子1836倍的质子，在相同条件下的隧穿概率仅约为10⁻¹⁹，显示出显著的质量抑制效应。这一指数衰减规律使宏观质量物体的量子隧穿几乎不可观测。在本研究中，团队通过精确调控超冷原子之间的相互作用，构建了束缚原子团簇体系，突破了传统的指数抑制机制，实现了隧穿强度对质量的近似不变性。实验中观测到质量达608原子质量单位（约相当于百万电子质量）的原子团簇发生量子隧穿，为探索更大质量尺度下的量子效应提供了新路径。图2:量子隧穿的强度随质量的变化规律。在608 AMU处，观测值相较于指数衰减的强度提高了5个数量级团队进一步利用量子隧穿过程构建了空间纠缠态（薛定谔猫态），实现了对空间分布的量子叠加。该类纠缠态对空间相关物理量具有高度敏感性，并可用于量子增强精密测量。实验中构建的NOON态（|N,0⟩+|0,N⟩）展现出随粒子数N增强的相位灵敏度。基于费舍尔信息分析，单个团簇实现了最高3.4(2) dB的量子增强；团队进一步通过约250个团簇并行测量，实现了对亚微米尺度上约1.4(1) Hz能量差的高精度探测。图3：采用量子纠缠态实现超越标准量子极限的精密测量与传统单原子干涉方案相比，大质量团簇的空间纠缠为探测质量敏感和空间相关的物理效应（如引力场）提供了新的实验平台，也为研究量子力学与引力的交叉问题提供了重要手段。南方科技大学博士后张涵、博士生王永奎和郑易为论文共同第一作者。杨兵为论文唯一通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省相关研究基金、深圳市研究基金等项目的支持。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-026-03281-9