薛其坤团队在锡烯超导中发现新的伊辛配对机制

最近，由清华大学物理系副教授张定和北京量子信息科学研究所所长薛其昆院士领导的中德合作团队，首次在高度对称的材料锡膜中观测到了比理论预期高几倍的临界磁场，并清楚地观察到了当温度接近绝对零度时临界磁场的发散行为，证明了伊辛超导性非常强。该结果于3月13日发表在《科学》在线版上。

实验测量的斯涅超导中的奇异上临界磁场行为

超导临界磁场是指在外部磁场作用下，超导状态转变为正常状态所需的磁场强度。它是超导体的基本特性之一，也是决定其应用的重要指标。水星是第一个被发现的超导体，它的临界磁场只有几十毫特斯拉。

近年来，人们发现一些只有几个原子层的薄膜在几十特斯拉的磁场下仍能保持超导状态，这远远超出了人们的预料。为了解释这一现象，伊辛配对机制被提出，这被认为是由于这种特殊材料的晶格不具有中心反转对称性，并且参与超导配对的电子具有锁定的自旋取向。在这个框架下，通过寻找非中心对称材料，发现了许多具有巨大临界磁场的超导体。

然而，一些人认为这完全是由材料尺寸效应引起的，挑战了伊辛配对机制。同时，伊辛超导理论的一个重要预测——临界磁场的低温发散行为——尚未得到实验验证。

薛其昆研究团队长期从事可控原子级高质量薄膜的制备和物理性质研究。在二维超导领域，发现了单层铅膜超导的格里菲斯奇点、单层铁硒/钛酸锶界面高温超导和双层镓膜超导。

2018年，团队核心成员张定等人首次发现灰色锡膜(锡烯)具有超导性，然后发现其面内临界磁场上限超过了传统超导体的上限，即所谓的泡利极限。

为了进一步深入了解锡的二维超导特性，研究小组与德国马克斯·普朗克固体研究所的约瑟夫·福尔森博士和尤尔根·斯梅特教授合作，利用原位旋转测量技术，在极低温度和强磁场条件下，系统地测量了不同厚度的锡样品在几乎整个超导温度范围内的临界磁场变化行为。发现临界磁场上限不仅超过泡利极限，而且当温度接近绝对零度时，也没有显示出饱和的迹象，这是典型的伊辛超导行为。

因为锡具有中心反转对称性，这些行为不能用现有的伊辛超导理论来解释。为了了解这一令人费解的现象，清华大学物理系副教授徐勇，北京师范大学研究员刘海文等。进行了深入的理论研究。

通过理论和实验的紧密结合，研究者们最终提出了一种新型的伊辛配对机制，即第二种伊辛配对机制，它是由自旋轨道耦合和材料对称性结合而成的。这项工作不仅为伊辛超导体的存在提供了实验证据，而且拓宽了人们寻找伊辛超导体的材料范围。

张定和刘海文是本文的交流作者。合作者还包括清华大学物理系教授段、何科，北京大学物理系博士生超。

这项工作得到了国家自然科学基金、国家科技部、清华大学低维量子物理国家重点实验室、北京未来芯片技术高级创新中心和北京量子信息科学研究所的支持。

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