2026年9月16日——康奈尔大学物理学家发现，控制独特材料硒化铁（FeSe）超导性的关键因素是最小化无序，而非改变电子数量。这一新见解有助于理解高温超导体。 

利用一种控制这种铁基超导体的新技术，研究人员在 Kyle Shen的实验室中 发现，硒化铁的超导“穹顶”——这一曲线描绘了随着性质被调控，超导性如何先增强后减弱——与其晶格缺陷所导致的电阻联系更紧密，而不是与流经晶体的电子数量联系更紧密。这一发现表明，硒化铁可能与其他高温（或非常规）超导体存在根本差异。 

“我们发现，在这种材料中，这个穹顶是由与通常所见截然不同的因素驱动的，”博士后研究员Paul Malinowski说。他曾是艺术与科学学院（A&S）的 Klarman博士后研究员。“它并非由注入的电子数量驱动，而是由电子撞上的障碍驱动——晶格究竟有多完美或多不完美？” 

题为“What Controls the Superconducting Dome of Electron-doped FeSe?”的研究于8月20日发表在《美国国家科学院院刊》上，Malinowski为第一作者。 

“这是一项重要的新结果，可能为高温超导性提供很多洞见，”Shen说。他是James A. Weeks物理科学教授、Stephen H. Weiss Presidential Fellow（A&S），以及原子与固态物理实验室主任，也是该研究的通讯作者。“关键在于能够以Paul所做到的方式精确控制掺杂。” 

Shen说，多年来，研究人员一直试图理解硒化铁的穹顶，但未能成功，因为该材料的化学性质抗拒传统掺杂方法，因此Malinowski及其同事不得不发明一种新方法来研究它。

Malinowski说，向材料体系添加电子的标准方法是生长一种含有更多电子的新化合物。“但这意味着，每当你想改变电子数量时，都必须生长一种全新的材料。这不仅工作量巨大；而且每次都在改变材料，因此其他一些你可能不知道、也无法控制的因素也可能在变化。” 

在他们的新方法中，Malinowski及其同事使用一种称为分子束外延（MBE）的技术合成样品，并通过一种称为碱金属表面沉积的过程将电子喷洒到材料表面来添加电子。随后，他们结合原位电输运和角分辨光电子能谱（ARPES）来探测材料性质。这一过程在超高真空中使用碱金属铯完成。 

Malinowski说，MBE和碱金属沉积都是其他地方也在使用的技术，但Shen实验室在合成薄膜方面拥有专长，因而具备独特条件，能在不取出或重新生长样品的情况下，将合成与电学和光谱探测结合起来。 

“这里的新颖之处在于，我们能够以一种非常全面的方式一次性完成所有操作，”他说。“事实证明，这对于弄清正在发生什么至关重要。” 

来自这种新方法的数据表明，物理无序控制着穹顶。研究人员说，无序指的是对晶体材料严格原子有序状态的任何偏离，这些偏离会扰乱电子流动，例如这里或那里有一个原子错位，或图案出现断裂。在完美晶体中，这些缺陷不会存在，但在实践中它们总是存在。Shen说，此外，添加电子不可避免地会引入无序。

Malinowski说，就硒化铁而言，无序在控制超导穹顶中的突出作用令人惊讶，因为这使该材料从所有其他材料中脱颖而出。它还揭示了这种化合物中超导性的微观机制的一些信息，并可为描述超导性如何发展的理论提供依据。 

Shen说，在其他高温超导体家族中，例如铜氧化物，人们认为电子数量是相图和穹顶的主要驱动因素。 

“无序确实存在，但人们通常认为它是次要或第三位的因素，只起次要作用，”他说。“在这种材料中，情况似乎反过来了。我们知道我们在对材料进行掺杂，但看起来无序才是主导因素，而掺杂是次要因素。这有违直觉，我们花了一些时间才接受这一点并相信我们的结果，因为它与其他非常规超导体如此相悖。” 

Shen说，还需要与理论工作者开展更多工作，以理解硒化铁为何表现出这种行为这一更大图景。他的团队还在进行进一步实验，重点仅放在改变无序上。

共同作者包括博士生Chad J. Mowers；Yaoju Tarn ’23；Darrell G. Schlom，材料科学与工程系（Cornell Engineering）的Tisch University Professor；以及Brendan D. Faeth，Ph.D. ’20。

这项研究得到了美国空军科学研究办公室的支持，并获得美国国家科学基金会、Platform for the Accelerated Realization, Analysis, and Discovery of Interface Materials以及戈登与贝蒂·摩尔基金会的额外支持。