“復合渦旋”劈裂為分數渦旋并形成超導斯格明子的圖示。圖源：上海交通大學李政道研究所

導讀：

物理學家第一次在真實材料里直接看到，一個原本認為不可再分的超導渦旋，其內部結構被觀察到發生空間分裂，并被解釋為攜帶部分磁通的分數渦旋。這挑戰了人們對超導渦旋不可再分的傳統認知。

“很多重要發現都不是一步完成的，”領導這項研究的上海交通大學李政道研究所教授丁洪說。一個反常的數據可能先以奇怪的面目出現，多年后才被人重新認清。在他看來，宇宙微波背景、脈沖星、準晶的發現都有這個特點，而被拆開的渦旋，也是其中之一。

趙金瑜 陳曉雪｜撰文

今年5月，上海交通大學李政道研究所教授丁洪帶領的聯合研究團隊在國際學術期刊《科學》（Science）以長文形式發表研究[1]，宣布在鐵基超導材料KFe?As?中，首次在原子尺度的實空間直接觀測到分數磁通渦旋的跡象：一個原本攜帶整數磁通的渦旋，可以分裂為兩個甚至三個攜帶分數磁通的渦旋。根據理論預測，這些分裂后的渦旋自發形成的拓撲結構與手性超導斯格明子結構相符。

“我們的結論不一定是百分之百正確，”丁洪坦言，他強調團隊給出的是“最大的可能性”，“這件事（的完全確認）最終還是要靠后續的實驗”。即便如此，這項工作仍然推動人們重新思考超導渦旋的結構。在傳統圖像中，超導渦旋通常被視為一個完整的磁通單元；而在這項研究中，它可能由多個分數化的磁通組成，并進一步形成新的拓撲結構。

早在2002年，瑞典皇家理工學院的伊戈爾·巴巴耶夫（Egor Babaev）就從理論上預言：在多帶超導體中，磁通渦旋可以攜帶小于一個磁通量子的磁通量，出現分數化。這種分數磁通渦旋被認為與任意子、分數統計乃至拓撲量子計算都有深層聯系。但在過去的二十幾年里，沒有人能在真實材料里把它們分開、看清。

在接受《賽先生》采訪時，丁洪與論文共同第一作者、共同通訊作者博士后胡全欣（現為廈門大學副教授），以及共同通訊作者、上海交通大學李政道研究所副教授呂佰晴，回顧了從失敗的嘗試到最終發現的完整歷程。

SAIXIANSHENG

一條六十年的鐵律

超導是一種宏觀量子現象：當溫度低于臨界值時，材料中的電阻徹底消失，且會把外加磁場排出體外。1957年，物理學家阿列克謝·阿列克謝維奇·阿布里科索夫（Alexei Alexeyevich Abrikosov）從理論上預言[2]，在第二類超導體中，磁場并不會被完全排斥，而是以一根根細小的“磁通管”穿入材料內部，每根磁通管周圍都有超導電流環繞旋轉，形成磁通渦旋。這一貢獻后來成為阿布里科索夫獲得2003年諾貝爾物理學獎的重要基礎。

1961年，兩個實驗團隊獨立證實，每個渦旋攜帶的磁通量并非任意取值，而是嚴格量子化的，其基本單位為h/2e[3,4]；同年，物理學家楊振寧等人從理論上指出，磁通之所以以h/2e為單位量子化，是因為超導體中的電子兩兩配對，形成了電荷為2e的庫珀對。[5]

自此，“磁場以整數磁通量子渦旋的形式進入第二類超導體”成為學界共識。

轉機出現在多帶超導體這類特殊材料上。2002年，瑞典皇家理工學院教授巴巴耶夫預言道，多帶超導體的序參量具有多個相位自由度，渦旋的相位繞轉可以只發生在其中某一個超導分量中，從而可以形成只攜帶部分磁通的分數磁通渦旋[6]。

然而實驗觀測分數化磁通存在許多困難。在多帶超導體中，不同分數渦旋耦合于同一電磁場，又受到能帶間約瑟夫森耦合的約束，彼此之間往往存在一種隨距離近似線性增長的吸引相互作用，傾向于被束縛在一起，也就是攜帶一個整數磁通量子的復合渦旋。

丁洪將這一困境直接類比為粒子物理中的“夸克禁閉”。夸克之間的吸引力與強相互作用如出一轍，正如三個夸克被禁閉、組成質子和中子，夸克至今無法被單獨打開。分數磁通渦旋長期處于一種“理論上允許、實驗上難以顯現”的類似狀態。要讓它們在空間上分離，需要找到一種能夠穩定這種分裂的物理機制。

SAIXIANSHENG

從招聘面試開始的研究

這項研究的起點，始于人才引進。

2022年底，丁洪與呂佰晴幾乎同時加入上海交通大學李政道研究所——丁洪來自中國科學院物理研究所，呂佰晴則從美國麻省理工學院回國。當時李政道研究所正進行建制化的人才引進，引入了一批從事鐵基超導研究的科學家，其中包括在德國工作了14年的俄羅斯物理學家瓦迪姆·格里年科（Vadim Grinenko）。

丁洪回憶，格里年科入職李政道研究所面試時，他當時是招聘委員會成員。格里年科長期研究Ba???K?Fe?As?體系，這是鐵基超導家族中最經典而重要的材料體系之一。他對該體系中可能出現的“時間反演對稱性破缺”很感興趣。

而格里年科和丁洪的朋友、理論學家巴巴耶夫，正是分數渦旋理論的最早提出者。“巴巴耶夫是分數渦旋最早的理論預言者，2002年他就提出多帶超導體中存在分數渦旋的可能性，我覺得很有趣，”丁洪說。

真正促使團隊開啟這項研究的，是2023年斯坦福大學莫勒（Kathryn Moler）團隊與格里年科、巴巴耶夫合作的一項工作[7]。他們利用掃描超導量子干涉儀（SQUID），在Ba???K?Fe?As?中觀測到了攜帶分數量子磁通的渦旋。但受限于分辨率，這一手段主要測量的是渦旋攜帶的磁通量，也就是磁場在穿透深度尺度上的空間分布，更像是在較遠距離上測量一個渦旋帶了多少磁通，看到的是一個較大的整體信號。

丁洪（左）和胡全欣（右）前往瑞典和巴巴耶夫進行討論。圖源：李政道研究所

巴巴耶夫和格里年科向丁洪提議：能否改用能在原子尺度直接成像的掃描隧道顯微鏡（STM）來做。

“它其實算是一個新課題，”呂佰晴補充說，丁洪此前主要關注鐵基超導中的馬約拉納零能模，轉向分數渦旋，“和格里年科的緊密合作，以及他不斷游說，有很大關系。”

2023年，實驗條件終于成熟。在李政道研究所，青年學者嚴智明帶領他的首位博士生鄭渝成功搭建起一臺極低溫掃描隧道顯微鏡，其性能指標達到了國際前沿水平，為探索凝聚態物理中的關鍵科學問題提供了強大的利器。依托這一實驗平臺，丁洪迅速組織并帶領聯合研究團隊，向這一富有挑戰性的課題發起集中攻關。

SAIXIANSHENG

反向思維的勝利

最初，嘗試并不順利。

胡全欣告訴《賽先生》，團隊起初想直接研究莫勒團隊論文中的Ba???K?Fe?As?（x≈0.77）樣品。然而，由于化學摻雜引入的無序以及122體系極性表面的復雜性，該材料中的超導解理面存在明顯的表面重構和無序，都不利于STM成像，無法測量渦旋。

意外出現在一個被稱為“砷面”的解理面上。團隊在該表面發現了電荷密度波（CDW）的信號。胡全欣隨即與丁洪討論。“丁老師非常敏銳地猜到，這可能是由鞍點嵌套導致的，”胡全欣說。在丁洪的啟發下，團隊計算了砷面的空穴摻雜量，發現其恰好落在純KFe2As2附近。空穴摻雜使原本位于費米能級下方的鞍點移動到費米能級附近，鞍點之間的嵌套進一步誘導了CDW的形成。該工作已發表于Nature Communications[8]。

當被問及為何能敏銳地抓住一個看似無關的反常信號時，丁洪笑言自己有兩個特點：“一是記性比較好，看過的文章基本都能記住；二是喜歡大膽猜測、細心求證，物理直覺比較好，并且善于跟理論學家討論。”

左上：嚴智明；右上：呂佰晴；左下：瓦迪姆·格里年科；右下：鄭渝。圖源：李政道研究所。

丁洪組織李政道研究所的“鐵馬”（鐵基超導馬約拉納平臺的簡稱）團隊嚴智明、呂佰晴、格里年科、胡全欣、鄭渝等，多輪討論后有了新的想法，既然砷面的自空穴摻雜能把有效摻雜從0.77推到略超過1，那么反過來——從純的KFe?As?出發，若能給它電子摻雜，是否就能把摻雜水平回退到關鍵區域？

“這是一個很自然的逆向思維過程，”丁洪說，想明白這一步“并沒有花費特別長的時間”。隨后，團隊轉而研究KFe?As?的“1×1”鉀終止表面：表面上額外的鉀原子可向最上層提供電子摻雜。簡單的算術就能得出結論：多出的鉀原子貢獻使有效摻雜濃度落在0.75附近，恰好接近重空穴摻雜的關鍵區域。丁洪補充道，格里年科此前的研究表明，時間反演對稱性破缺在從0.7到0.82的摻雜區間里都會出現，而0.75正好落在其中。

SAIXIANSHENG

“在大海上找一座小島”

困住實驗進程的最大挑戰，是尋找大面積的“1×1”鉀終止面。

胡全欣解釋說，由于電中性的要求，鉀原子層解理后通常會有一半鉀原子離開表面，形成更常見的“√2×√2”重構面；而團隊需要的“1×1”面既不常見也不穩定。

“這就像在大海上尋找一座小島，只有這座小島才可能具有我們需要的特殊性質。”胡全欣說。

為提高找到這一表面的概率，團隊首先升級了STM的解理方法。普通STM一般在液氮溫度下解理，團隊將其改進為可在更低的液氦溫度下解理——解理溫度越低，所得表面越接近原始的、未重構的狀態。隨后，他們利用“1×1”面與“√2×√2”面在譜學特征上的顯著差異，在不同表面間快速篩選，最終找到了目標表面，并通過準粒子干涉、超導譜測量和第一性原理計算，確認了其超導電性的顯著增強和電子摻雜效應。

恰在此時，胡全欣拿到了普林斯頓大學的博士后錄用的通知。胡全欣原是丁洪在中國科學院物理研究所的博士生，本計劃到海外做博士后研究，這也是丁洪此前一直鼓勵他做的。但實驗到了關鍵時刻，胡全欣有些猶豫。于是，丁洪向他講述了物理學史上的一段往事：物理學家戴維·派恩斯（David Pines）曾在約翰·巴丁（John Bardeen）門下做博后研究超導機理，后接受普林斯頓教職離開，而巴丁隨后招來的新博后正是利昂·庫珀（Leon Cooper）。最終，BCS理論解釋了超導并獲諾貝爾物理學獎，但沒有派恩斯。派恩斯晚年提及，自己一生中最后悔的就是去了普林斯頓。（相關閱讀：）

“我就把這個故事講給全欣聽，”丁洪說。于是胡全欣選擇留下，繼續深入研究。

SAIXIANSHENG

一個亮斑，裂成了幾個亮斑

利用極低溫、強磁場下的STM，研究團隊在原子尺度對渦旋核心進行成像，觀察到了反常現象。

團隊發現，“1×1”鉀終止表面上存在兩類截然不同的渦旋：一類在溫度變化中始終保持孤立的整數渦旋形態；另一類在低溫下表現為孤立渦旋，單個的亮點，但把溫度升到 4.2 開爾文，有些亮點開始變形、劈裂，分成兩個、甚至三個分離的核心；再把溫度降回去，這些小核心又重新合并成一個。升溫裂開、降溫合攏，可逆地反復發生。

三個渦旋（#N1、#F4、#F6）的零偏壓電導圖隨溫度（1.8 K→4.2 K）的演化。左列始終為單核心的整數渦旋，中、右兩列的反常渦旋在升溫后劈裂為多個分數渦旋核心。圖源：Zheng et al.,Science (2026)。

“第一次看到渦旋劈裂時，我們非常驚訝，也非常謹慎，”胡全欣說。他解釋說，按照傳統直覺，一個孤立渦旋應當對應一個磁通量子和一個核心。如果在圖像上看到一個渦旋位置出現多個核心，第一反應并不是馬上認定它就是分數渦旋，而是要首先懷疑所有可能的實驗因素和常規解釋。

他介紹了排除假象的關鍵方法。STM的一個優勢是能清晰獲得原子形貌，從而通過缺陷位置精確定位測量區域。團隊先在零磁場下、再在加磁場下測量同一區域，除磁場外保持所有條件一致，使每一個缺陷在兩次測量中嚴格重合，再扣除背景，從而剔除雜質散射等與目標現象無關的貢獻，“只改變溫度，不改變任何其他條件”，由此清晰地追蹤到同一渦旋的劈裂與重新合并。

譜學測量提供了關鍵的證據。與普通整數渦旋相比，分數渦旋核心中的渦旋束縛態信號明顯更弱，而超導相干峰保留得更強。這與“部分核心奇點”的理論圖像相符：在分數渦旋核心中，只有部分超導分量消失，其余分量仍保持超導。

“結合溫度演化、空間分布、渦旋計數和譜學特征，我們最終將這些劈裂產生的渦旋核心歸因于攜帶部分磁通的分數磁通渦旋。”丁洪告訴《賽先生》。

更引人注目的是，這些分數渦旋并非隨機分布，而是傾向于排列成鏈狀結構。理論分析表明，這類鏈狀結構具有非平庸的拓撲性質，構成一種新型拓撲缺陷——手性超導斯格明子，其拓撲特征可由?P2拓撲不變量刻畫。

SAIXIANSHENG

對劈裂現象的解釋引發的爭論

這項工作雖然在今年5月正式發表，但早在2024年8月就上傳至預印本平臺arXiv。當時引發了部分同行質疑，團隊又用近兩年時間補充了大量的實驗數據。

核心的質疑來自學界對該現象本質的不同判斷。中國科學院物理研究所研究員潘庶亨指導的劉立民與朱長江此前在2021年的博士論文中，曾于同一材料體系報道過類似的超導增強和渦旋數目異常增多現象。丁洪告訴《賽先生》，他本人當時擔任了相關博士論文的答辯主席，對這些現象有些印象，但當時論文未給出清晰的物理解釋。

丁洪強調，團隊并非從他們的結果想到分數渦旋，而是在自己在上海發現現象后，回想起曾見過這一異常。他認為這些早期觀察“非常重要，應該得到充分尊重和引用”，論文引用了相關的兩篇博士論文。

他坦言，至今亦有同行持不同看法，認為該現象是一種“假象”（artifact）。在數次同場報告中，雙方各自陳述了觀點。

丁洪表示，論文中明確寫明無法百分之百排除其他可能，但綜合實驗與理論模擬、不同溫度、不同樣品、不同設備的大量驗證，分數渦旋是“最大的可能性、最合理的解釋”。為打消審稿人疑慮，團隊在三臺不同的STM上重復了實驗，分別位于李政道研究所、北京懷柔綜合極端條件實驗裝置和張江高等研究院。

丁洪（右）和胡全欣（左）在懷柔綜合極端條件實驗裝置平臺A7線站。圖源：李政道研究所

丁洪對這種爭論并不陌生。2017年，他在戈登會議上報告鐵基超導中的馬約拉納證據時，第一個站起來反對的就是J.C. Seamus Davis，一位以高溫超導機理和量子物質成像方面的實驗研究而聞名的物理學家。而鐵基超導是拓撲的這件事，如今已是共識。

“科學本質上是一個證偽的過程，”丁洪說，人們無法百分之百地證明一個理論為真，只能通過不斷發現的新現象去檢驗它，就像萬有引力定律和廣義相對論，是在一次又一次新現象的驗證中確立其正確性的。“在不斷的質疑下，我們不斷提供新數據、不斷完善，這是正常的科學態度。”

他表示，對于未來可能出現的更多質疑，團隊已做好接受評判的準備。在他看來，重要的是先朝著自認為正確的方向探索其前景，“最后證實它錯，我們也不會覺得是個事情，其實（科學）是這樣的一個過程。”

SAIXIANSHENG

一段鮮為人知的科學史

在丁洪看來，這項工作讓一段科學史在眼前展開，“我覺得像夢似的”。

他向《賽先生》講述了一個鮮為人知的故事：整數渦旋理論的提出者阿布里科索夫，其家族十月革命前曾在俄羅斯經營巧克力生意；而分數渦旋理論的提出者巴巴耶夫，其家族同樣與俄羅斯的巧克力產業有關。兩個“巧克力家族”各出了一位理論物理學家，一位研究整數渦旋，一位研究分數渦旋。

“巴巴耶夫甚至專門帶了巴巴耶夫（牌的）巧克力送給我，”丁洪說，他感慨這段歷史“很奇妙，以后得把這個故事寫下來”。

丁洪（拍照者）、胡全欣（幕布前站立者）在瑞典與合作者Egor Babaev（坐者）及其博士生Igor Timoshuk（背對鏡頭者）進行討論。圖源：丁洪/李政道研究所

丁洪本人的研究此前也與這條脈絡有交匯之處。他回憶，自己2008年的一項工作曾在鐵基超導中發現多帶超導的跡象，多年后與巴巴耶夫的交流才讓他意識到，那項工作“可能更重要的意義在于揭示了一種多帶超導”。

這項研究的理論合作主要來自巴巴耶夫團隊。由于不便長途飛行，巴巴耶夫主要通過線上會議與團隊反復討論，丁洪與胡全欣也曾兩次赴瑞典當面交流。“在瑞典討論的那幾天非常興奮，設計了好幾個新實驗，”丁洪說，其中一些后續會陸續發表。

SAIXIANSHENG

一個新的物理游樂場

從1911年超導現象被發現，到其在醫用磁共振成像和粒子加速器中獲得廣泛應用，人類用了近一個世紀。分數磁通渦旋從理論預言到首次在原子尺度上觀察到，也已走過二十余年。

回顧這段歷程，胡全欣說：“做實驗遇到困難時，繞一條路，可能又會走上一條對的路。辦法總比困難多。”呂佰晴也有相似的感受：“科學是未知的，你可能最開始想做這個，但是得到了你不想要的結果，這個時候就像全欣說的，你要轉個彎，就會發現柳暗花明又一村。”

丁洪說，這項發表不是一蹴而就的。他強調，這是一項基礎科學發現，揭示了多帶超導體中一種新的拓撲缺陷和分數化激發，短期內不一定馬上轉化為器件應用。從長遠看，分數磁通渦旋與任意子、分數統計以及拓撲量子計算有著深層聯系；若未來能夠可控地產生、移動和編織分數渦旋，它們或許能成為拓撲量子信息研究的新平臺。

最讓他感興趣的是，該體系將成為一個可控的物理“游樂場”，就像玻色-愛因斯坦凝聚體那樣，能夠讓不同的研究者繼續借助這一平臺測量分數渦旋之間的吸引力，檢驗其是否與夸克間的膠子作用相似等。他甚至提出：如果在整數渦旋中也存在馬約拉納零能模，那么分數渦旋里會發生什么？這相當于在質子、中子的層面之下，進一步追問夸克層面的物理。

盡管爭議仍在，眼下還有一長串實驗等著做：用掃描SQUID、掃描氮-空位（NV）色心探測或相敏-約瑟夫森實驗，去直接證明表面確實破缺了時間反演對稱性；在更寬的溫度和磁場范圍里，統計渦旋劈裂的規律；以及，主動地產生、移動、編織這些分數渦旋和斯格明子。目前，團隊已在與復旦大學等單位合作推進相關研究，更多新的結果還在路上。

注：封面圖由寂寞帥貓制作，圖片來源李政道研究所。

作者簡介：

趙金瑜，《賽先生》科學寫作小組成員，中國科學院物理研究所博士，現為北京高壓科學研究中心博士后。

陳曉雪，《賽先生》主編。

參考文獻：

[1] Yu Zheng et al., Observation of quantum vortex core fractionalization and skyrmion formation in a superconductor. Science0, eads0189. DOI:10.1126/science.ads0189

[2]A. A. Abrikosov, On the magnetic properties of superconductors of the second group, Sov. Phys. JETP 5, 1174 (1957).

[3] B. S. Deaver and W. M. Fairbank, Experimental Evidence for Quantized Flux in Superconducting Cylinders, Phys. Rev. Lett. 7, 43 (1961).

[4] R. Doll and M. N?bauer, Experimental Proof of Magnetic Flux Quantization in a Superconducting Ring, Phys. Rev. Lett. 7, 51 (1961).

[5] N. Byers and C. N. Yang, Theoretical Considerations Concerning Quantized Magnetic Flux in Superconducting Cylinders, Phys. Rev. Lett. 7, 46 (1961).

[6]E. Babaev, Vortices with Fractional Flux in Two-Gap Superconductors and in Extended Faddeev Model, Phys. Rev. Lett. 89, 067001 (2002).

[7]Y. Iguchi, R. A. Shi, K. Kihou, C.-H. Lee, M. Barkman, A. L. Benfenati, V. Grinenko, E. Babaev, and K. A. Moler, Superconducting vortices carrying a temperature-dependent fraction of the flux quantum, Science 380, 1244 (2023).

[8]Q. Hu et al., Evidence for saddle point-driven charge density wave on the surface of heavily hole-doped iron arsenide superconductors, Nat Commun 16, 253 (2025).

文章轉載自“賽先生”公眾號