张定：锡烯超导

超导研究是凝聚态物理领域长盛不衰的课题。

1911 年，荷兰物理学家海克・卡末林・昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）用液氦冷却汞首次发现了超导电性，之后 100 多年时间，历代科学家孜孜不倦让超导探索百花齐放，相关研究已获得过 5 次诺贝尔奖，诞生过 10 位诺奖得主。

新的超导材料被不断发现，每一种都可能揭示出前所未有的科研方向与可能性。例如，20 世纪 80 年代发现镧钡铜氧化物、钇钡铜氧系和铊钡钙铜氧系材料的超导特性，进入 21 世纪，科学家们又相继在铁基氮磷族氧化物、二硼化镁、硫化氢以及十氢化镧中发现超导，科学家们把超导的临界温度不断提升，同时也在持续求索超导原理之谜，寻找更好的超导材料。

近年来比较热门的超导科研方向出现在二维材料领域，比如石墨烯。在 2018 年，21 岁中国青年科学家曹原在《自然》期刊上连发两篇论文，介绍了 “魔角石墨烯超导”，两层石墨烯以 1.1 度的偏转夹角叠起来时实现了 1.7K 温度下的超导。

同样是在 2018 年，来自清华大学物理系的副教授张定，也在二维超导领域开辟出了 “新天地”，他验证了一种新型的二维超导材料：锡烯。

不仅如此，通过深入研究，2020 年 3 月份，张定和团队还提出了一种新的提高超导体临界磁场的物理机制，这大大拓宽了人们寻找类似特性超导材料的范围，相关成果曾先后发表在 Nature Physics 和 Science 上。凭借这些科研贡献，张定成功入选了《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人” 2020 年中国区榜单。

图｜《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人” 2020 年中国区榜单入选者张定

师从诺奖得主冯・克里青，学成归国到清华

张定本科期间就读于北京大学物理学院，2008 年大四下旬，他成功申请到去国外读硕士、博士继续深造的机会，其中一个单位便是德国有名的马克斯普朗克固态研究所（简称马普所）。

幸运的是，第一次去马普所面试，张定便与德国物理学家克劳斯・冯・克里青（Klaus von Klitzing）相遇，双方聊得十分投机。冯・克里青曾在高强度磁场实验室发现量子霍尔效应，并因此获得了 1985 年诺贝尔物理学奖，面试之余，冯・克里青还带着张定参观了其实验室目前在做的相关研究，后来也成了他的博士导师。

“在 2008 年的时候，国内能够做那种非常强磁场或同时加上极低温测量环境的先进实验室其实也非常稀少，当时参观完实验室，了解到那些世界前沿的研究我就被深深吸引住，另外，也非常想尝试在一个诺奖得主的团队里面学习工作，看一看诺奖得主的实验室到底是怎么工作的，抱着这些期望我去了德国，在德国学习了接近 6 年时间，主要做跟量子霍尔效应特别相关的研究。” 张定回忆道。

一个转折点发生在 2013 年。那一年，中国科学院院士、清华大学科研副校长薛其坤领衔的团队在实验中首次发现量子反常霍尔效应，论文在线发表于《科学》杂志，得到圈内广泛关注。这一年也恰逢冯・克里青 70 岁的生日，他决定举办一个学术活动来庆祝生日，也邀请到薛其坤来德国做了一个关于量子反常霍尔效应的学术报告。

图｜实验室中的张定（来源：受访者）

临近博士毕业的张定在与薛其坤的交谈中，了解到近年来中国科技发展的迅猛速度，科研事业迎来一个非常好的时期，包括清华在内的很多高校已经做出许多世界领先的科研成果。

张定表示：“当时我是毛遂自荐说想要加入薛老师团队的，抱着一腔热血决定回国，来到清华从一个博士后开始慢慢干起。从 2014 年到现在刚好又是 6 年时间，从博士后到助理教授、副教授，慢慢也完成了自己的实验室搭建。目前主要做的方向是关于超导，跟之前有所转变，但用到的实验技术和技巧，与在马普所期间受到训练所做的事情很多地方是一致的。”

“意外” 发现锡烯超导电性，打开科研新思路

关于锡烯超导特性的理论知识和制备研究，其实有着不少华人科学家的努力身影。

从 2004 年开始，科学家对二维材料石墨烯的研究不断取得重要成果和突破，因此，类石墨烯材料的发掘也成为了整个凝聚态物理和材料科学领域的焦点。其中，基于锡的二维材料 “锡烯” 就是一种被看好的新材料，被誉为是石墨烯的 “表亲”，锡烯（Stanene）的命名也来自锡（Stannum）和石墨烯（Graphene）的组合。

2006～2007 年期间，美籍华裔物理学家、斯坦福大学教授张首晟发现二维拓扑绝缘体支持量子自旋霍尔效应，理论上可以获得一种自旋驱动的几乎没有能量损失的导电性。

2013 年，清华大学助理教授徐勇与张首晟教授在此基础上展开合作，曾预言了锡烯这种新型拓扑材料。锡烯是一种可以在室温下工作的大能隙二维拓扑绝缘体，它由单原子层的锡构成，边沿态在室温下可以实现量子自旋霍尔效应，通过对锡烯的调控，还有望实现拓扑超导态、超级热电效应以及室温下的量子自旋霍尔效应等。

如同石墨烯的早期发展阶段，接下来的几年中，如何制备出锡烯一度是个难题，包括清华大学、中国科学技术大学、上海交通大学等高校在内的科研团队都曾与美国斯坦福大学张首晟教授展开合作进行技术攻坚。

图｜分子束外延生长技术制备锡烯（来源：清华大学）

在 2015 年，科学家们利用分子束外延生长技术首次实现了锡烯二维晶体薄膜制备。2018 年，科学家们再次利用分子束外延技术成功制备出了具有拉伸晶格结构的单层锡烯，首次发现单层锡烯可以表现出与石墨烯相同的平面蜂窝状结构，并结合第一性原理计算证实了其存在拓扑能带反转及拓扑边界态。

清华大学团队一直锡烯材料研究的重要参与方，这也给张定的进一步科研工作打下了扎实的基础。2018 年，清华大学薛其坤教授、何珂教授研究组利用分子束外延生长技术，在硅衬底上制备出铋碲 (Bi2Te3) 和铅碲 (PbTe)，最终在铅碲 (PbTe) 上生长出了高质量的锡烯薄膜。

张定带领研究团队开展了对锡烯薄膜进一步的极低温电、磁输运测量，由单层到多层，幸运的是，他在仅有 2 到 5 个原子层厚度的灰锡薄膜中成功发现了超导电性。

更有意思的是，外延生长的锡烯薄膜稳定性非常好。比如说隔了好几个月重新再做实验的话，团队在这只有几层原子厚度薄膜中实现超导，可以继续测它的一些电学的性质，包括后来直接把样品带到德国马普所去做实验，长途运输等，后来验证在没有任何保护层的情况下，这种锡烯薄膜的超导电性可以长久保持超过一年。

图｜锡烯的超导性能（来源：Nature Physics）

这项研究还表明，锡烯的态密度受到了衬底的调制，导致了超导电性的出现。通过改变衬底厚度，他们还实现了锡烯从单带超导体到双带超导体的转变，实验中的最高超导转变温度为 3.7K（-269.45 摄氏度）。

“虽然有理论预言这个材料有可能会是一个超导，但实际上还是挺意外和惊喜的。在第一期试验中我们整个团队本来是想做跟拓扑绝缘体相关的性质研究，最核心的目标肯定是想实现量子自旋霍尔效应，想看一下它的拓扑行为，但无意间发现了它的超导迹象，进一步测量得到了验证。” 张定表示。

发现全新物理机制，探秘拓扑超导的可能性

由于之前已有研究证明了锡烯材料存在拓扑能带反转及拓扑边界态，现在又发现了超导电性，这为拓扑超导的研究提供了新思路，也让张定对解密锡烯材料的更多特性产生了浓厚兴趣。

超导的一个特性维度就是与临界磁场相关，医疗上的先进核磁共振设备等就是用超导体来实现强磁场的应用。

图｜三层锡烯的超导特性（来源：Science）

为了进一步深刻理解锡烯的二维超导特性，张定研究团队与德国马普所的约瑟夫・福森（Joseph Falson) 博士和尤根・斯密特（Jurgen Smet）教授合作，利用极低温强磁场下原位旋转测量技术，系统测量了不同厚度锡烯样品在近乎整个超导温度区间上临界磁场的变化行为。

结果发现锡烯的上临界磁场不仅超出 “泡利极限”，而且在温度逼近绝对零度时仍无饱和迹象，这是一个典型的伊辛超导行为，有理论研究认为，伊辛超导体可以创造马约拉纳费米子，能为拓扑量子计算研究提供新的实验平台。

为了总结这种神奇的现象，研究人员通过理论与实验相结合，最终提出了新一类伊辛配对机制，即一种新的可以提高超导体临界磁场的物理机制。

关于研究的展望，张定认为锡烯超导目前距离应用还尚远，并不是一个非常高温的超导材料，不过优势是它在空气中比较稳定，超导电性也比较稳定，还有可能跟拓扑性质结合起来，对于进一步要做的实验操作，比如量子操控会产生一定的好处，但是前提还是要证明它的拓扑性质跟超导性质确实能结合在一起，以进一步探索拓扑超导的可能。

另外，与石墨烯材料不同，锡烯需要在一些特殊的衬底上生成，不同衬底会使得锡原子的间距发生变化，改变了原子的间距以后，很多量子的这些性质就完全变了，同时也可以选择不同的上层 “悬挂件” 元素，来调控或者影响它。

“它本身就有一个量子效应，然后量子效应保证了它在外加强磁场时仍然能保持超导电性，它的临界磁场远远超出了传统理论的极限。进一步研究发现，这个性质不是这一个材料所独有的，很多材料都可能具有类似的特性。所以我们的研究相当于是一个起点，从此可以启发大家去寻找更多的具有这种量子效应的材料。” 张定表示。

这类偏基础科学的探索，对于扩展量子计算的未来具有关键意义。量子计算具备远超经典计算的运算能力，但长期困扰科学家们的问题是 “退相干效应”，由于量子计算机不可避免地与环境耦合而产生各种噪声，从而使计算过程产生各种错误。

近年来，学术界提出了拓扑量子纠错成为一种有效解决方案。在拓扑量子计算的过程中可以完全纠正出现在任意量子比特上的单比特错误，而且当每个量子比特都以相同概率发生错误时，受保护的量子关联的有效错误率会大大降低。

而拓扑超导体能借助超导态下的稳定电子配对和量子相干效应，有可能出现马约拉纳费米子，它的反粒子就是自身，科学家们则有望操控马约拉纳零能模，实现更好的容错拓扑量子计算，提升能效比、实用性和运算速度，助力打造新一代量子计算机。

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