原子尺度成像显示，在铁基超导体的库珀对中，硫属原子起着至关重要的作用，这为高温超导机制提供了新的见解。

无论是通过声子还是电子涨落介导费米面上的库珀对，量子材料中的超导性都基本符合巴丁-库珀-施里弗（BCS）理论。在该框架下，超导性源于晶格上零动量库珀对的凝聚，配对遵循晶格的对称性。

近年来，一种名为对密度波（PDW）的奇异超导态引起了广泛的研究兴趣。在PDW态中，库珀对（Cooper pairs）以有限动量形成，破坏了晶体的平移对称性，导致超导序参量在空间上呈现周期性调制。在实验上，已在非常规超导体中观察到PDW态的证据，如铜酸盐和铁基高温（高Tc）超导体，在这些材料中，调制周期跨越数个晶胞。

然而，单个晶胞内成对密度的调制尚未得到深入研究，而这种调制可以从微观角度洞察亚晶胞尺度上非常规的库珀配对机制。

在王健（北京大学）教授的带领下，研究团队利用扫描隧道显微镜/光谱仪（STM/S）对在SrTiO₃（001）基底上生长的高质量单层Fe(Te,Se)和FeSe超导薄膜进行了精确的原子尺度测量。在铁基超导体中，这些薄膜具有最高的超导转变温度（约60开尔文，即-213℃）。

发现周期性超导调制

研究人员利用超高空间分辨率进行实验，成功捕捉到了单个晶胞内不同原子位置超导性质的明显变化。

研究表明，超导能隙的大小和相干峰的锐度随晶体晶格周期呈现出周期性的空间调制。至关重要的是，这些调制与晶体晶格结构严格对应，最大值和最小值精确位于硫族原子在晶体学中的位置，这表明由SrTiO3衬底引入的滑移镜面对称性被破坏。该现象表明，硫族原子及其p轨道在局部库珀对形成和相位相干建立中起着至关重要的作用。

“这一发现使我们首次能够在原子尺度上观察到超导态的精细结构，”研究人员说道。“这就像是在观察超导电子对的‘舞蹈’，其中硫属原子充当着导体的角色。”此前，硫属原子在铁基超导体的库珀配对中所起的作用在理论研究中往往被低估，但这一新发现将促使科学家重新考虑铁基超导体中非传统超导性的微观机制。

这一研究将配对机制的实验研究扩展到亚晶胞尺度，为理解其晶胞包含多个原子的非常规超导体的配对机制开辟了一条新途径。研究团队计划将这种方法扩展到其他超导系统，并探索原子尺度信息如何帮助我们理解神秘的高温超导性。

参考文献：《晶胞内超导对密度调制的观测》，作者：魏天恒、刘彦昭、任玮、梁振、王子强、王健，发表于2025年2月1日，收录于《中国物理快报》。数字对象唯一标识符（DOI）：10.1088/0256-307X/42/2/027404