2026年4月29日——通过精心设计的实验和少量锡原子，田纳西大学诺克斯维尔分校的物理学家发现了一种长期寻找的超导形式，朝着制造定制量子材料又迈进了一步。

曲折之路

科学家们对超导的了解已有一个多世纪。在低温下，某些材料的电阻会消失，它们能够无能量损失地传输电流。超导体应用于粒子加速器和磁共振成像设备中。尽管它们需要极冷的环境才能工作，但其驱动机制已相当明确：通常相互排斥的电子会形成对并承载电流。

手性超导则是另一回事。其中，电子对拒绝典型的对称性，扭曲成标志性的左旋或右旋“手性”。科学家们几十年来一直在寻找这种相态，因为它有望用于量子技术。

2023年，校长教授Hanno Weitering和贝恩斯教授Steve Johnston在《自然·物理》上发表研究成果，报告称将锡原子战略性地散布在硅基底上可以产生超导体。该团队提出，该系统也可能是潜在的手性超导体。这项最新工作发表在《物理评论X》上，提供了相关证据。

该研究团队小心地将三分之一的锡原子层沉积在硅基底上，然后使用先进的成像技术捕捉到了独特的手性超导模式。

简洁而美丽的干涉

Weitering表示，锡硅材料的结构和电子简洁性是观察手性的关键。更复杂的材料具有重叠状态和多种相互作用，可能掩盖这些特征模式。

在这个系统中，三分之一的锡原子层意味着在硅层上受控沉积位置相对较远的原子。这些原子自发组织成有序的三角晶格。几何结构至关重要。

“手性在高温铜氧化物超导体中不存在，因为它们具有方形晶格，”Weitering说，这会产生不同的相。“但在锡层中，手性存在，因为晶格不是方形，而是三角形。”

为了看到手性超导的独特特征，他和同事们转向了准粒子干涉成像（QPI）。

“在凝聚态物质中，这些粒子总是在影响其行为的环境中运动，所以它们不再是单一实体，”Weitering说。“它们都受到周围环境的影响。这就是为什么我们称它们为准粒子。”

他解释说，如果把电子想象成波的行为，再想象向池塘中扔石头，一个接一个地扔在不同位置，就会看到波开始相互碰撞。

“该工作称这些为干涉图案，”他说。“这就是干涉的来源：准粒子干涉。通过扫描隧道显微镜（STM），该工作可以看到这些波。准粒子相互干涉，产生这些美丽的图案。”

手性的标志编码在点缺陷周围的这些图案中；准确地说，是单个原子缺陷。

“这可能是一个缺失的锡原子；也可能是一个被硅原子替换的锡原子，因为下面有大量的硅储备，有时原子会这样，”Weitering说。“你永远无法得到完美的晶体。总会有一些缺陷。这个系统的一个关键点是，通过STM，该工作可以看到锡层中的每一个点缺陷。”

这项研究可以作为使用QPI寻找其他非常规超导形式的模板。

“大多数超导体是偶然发现的，”Weitering说。“而这完全是经过设计的。”

定制材料是通往潜在应用的漫长旅程中的重要一步。

“量子材料通常不太有用，除非你能用它们制造器件，”他解释道。“要制造器件，通常需要制作薄膜和界面。”

他说手性超导体是拓扑的，“人们对拓扑系统感到兴奋，因为该工作可以用拓扑超导体来构建，例如用于量子计算的量子比特。”

量子比特存储或处理信息，这些信息对外部影响高度敏感，比如温度、日常辐射等。

“拓扑系统在某种意义上有趣，因为拓扑性质不是局部的，”Weitering说。“它是全局的。通过使其全局化，它对扰动的敏感度大大降低。”

向朋友展示成果

尽管锡硅系统是有意设计的，但识别手性图案实际上确实涉及一点偶然性。

Weitering的前博士后研究助理Ming Fangfei现在是中国的一名教授。他寄来了他的团队拍摄的材料的QPI图像，展示了细节如何随时间改善——特别是类似花朵的图案。

Weitering印象深刻，并将结果展示给了助理教授Zhang Ruixing。

“Ruixing看了这个图案，看到了页面中心非常引人注目的东西，”他说。

Zhang回到办公室，让他的研究生（Zhuo Chen和Yuchang Cai）进行了一些数值和分析计算，证明只有手性超导才会产生中心带有原子大小孔洞的类似花朵的QPI图案——手性指纹。

“Ruixing看到了这一点，他的直觉是对的，”Weitering说，并承认起初他在与Zhang分享时更关注图像的清晰度。

“我那时只是在炫耀，”他开玩笑说。

拥有可以合作（并留下深刻印象）的朋友是推动基础研究前进的关键因素。

“如果你独自做科学，你永远无法达到目标，”Weitering说。

他、Zhang、Johnston、Chen和Cai都参与了《物理评论X》的研究，还有来自中国的同事。他和Zhang还在审查QPI图像中的图案，并计划创建一个数据库。该工作希望训练一个机器学习程序来识别这些图案的复杂细节。

“这实际上是MRSEC（该大学的材料研究科学与工程中心，由美国国家科学基金会资助）的一部分，”Weitering说。“它使用人工智能分析数据。它在整理数据。你需要用数据训练AI。这不仅是理论，也是实验数据。然后是理论预测的验证部分。”

验证理论下一步走向是他工作的重要组成部分。首先是《自然·物理》的研究，现在是《物理评论X》的发现。

“该工作发现了超导，”Weitering说。“然后该工作发现了手性超导。每一次该工作都向前迈进一步。”