2026年4月13日——超导体（可实现零能量损耗导电的材料）是下一代高效超快电子器件的关键。然而多数超导体存在一个致命缺陷：在强磁场中会丧失超导特性。但一类含重元素的超导体却能突破常规极限，在磁场中保持非常规超导性。最新研究通过将轻元素镓的原子级薄膜夹在两层材料之间，成功利用层间量子相互作用攻克了这一难题。

这项由美国国家科学基金会资助的宾州州立大学材料研究科学与工程中心（MRSEC）跨学科团队完成的研究，于4月13日发表在《自然·材料》期刊。研究团队发现，当三层镓原子被夹在石墨烯与碳化硅基底之间时，该结构能在平行于材料表面的面内磁场中保持超导性，其临界磁场远超理论预期。

“该成果彰显了宾州州立大学MRSEC推动跨学科合作研究的价值。”研究团队负责人、埃伯理理学院物理学教授崔慈竹表示，“通过整合材料合成、量子输运与理论建模领域的专长，我们揭示出单一研究团队难以发现的新现象。”

日常温度环境下，所有材料都存在电阻——就像水流通过变窄的管道时会产生能量损耗。但在接近绝对零度的极端低温下，超导体可实现零电阻导电。

“超导体中的电子会形成库珀对，克服彼此间的斥力实现无阻流动。”崔慈竹解释道，“但超过泡利顺磁极限的强磁场会拆散这些电子对。”这导致多数超导体在强磁场中丧失超导性。

论文第一作者、物理学教授刘朝星指出：“当电子在含重元素的化合物中运动时，其自旋（量子行为的基本属性）会通过自旋-轨道耦合机制与运动发生相互作用。这种相互作用可能诱发非常规超导态。”

其中典型代表是伊辛型超导——电子自旋被锁定在晶体平面垂直方向。这种锁定使电子对免受磁场干扰，令超导性突破泡利极限成为可能。崔慈竹表示：“以往仅在含重元素材料中发现伊辛超导，因为重元素具有强自旋-轨道耦合特性。而我们的轻元素三明治结构在增强磁场下非但没有弱化，反而展现出超越常规超导体的稳定性。”

该夹层结构包含：作为生长基底的碳化硅底层、三层镓原子薄膜中间层，以及防止氧化的石墨烯保护顶层。崔慈竹强调：“三层材料界面形成的独特量子环境，使轻元素镓在面内磁场中的超导性达到泡利极限的三倍以上。”

研究团队指出，该成果证明伊辛超导并不局限于重元素超导体，通过界面工程同样可在轻元素中实现。崔慈竹表示：“我们计划将这一设计策略拓展至铟、锡等轻元素金属体系，构建基于界面效应的新型非常规超导体家族。”

该研究凝聚了宾州州立大学MRSEC多个团队的智慧：材料科学与工程教授约书亚·罗宾逊制备了超薄镓薄膜，崔慈竹团队完成电输运测量，刘朝星团队主导理论建模工作，著名教授文森特·克雷斯皮协助机理阐释。崔慈竹总结道：“MRSEC通过整合材料合成、表征与理论模拟，为设计新型量子物态提供了理想平台。”

除上述学者外，研究团队还包括博士后易鹤年、董成业等14名成员。该项目主要受宾州州立大学MRSEC资助，完整作者及资助方信息详见论文。