赵金瑜 陈晓雪｜撰文

今年5月，上海交通大学李政道研究所教授丁洪带领的联合研究团队在国际学术期刊《科学》（Science）以长文形式发表研究[1]，宣布在铁基超导材料KFe₂As₂中，首次在原子尺度的实空间直接观测到分数磁通涡旋的迹象：一个原本携带整数磁通的涡旋，可以分裂为两个甚至三个携带分数磁通的涡旋。根据理论预测，这些分裂后的涡旋自发形成的拓扑结构与手性超导斯格明子结构相符。

“我们的结论不一定是百分之百正确，”丁洪坦言，他强调团队给出的是“最大的可能性”，“这件事（的完全确认）最终还是要靠后续的实验”。即便如此，这项工作仍然推动人们重新思考超导涡旋的结构。在传统图像中，超导涡旋通常被视为一个完整的磁通单元；而在这项研究中，它可能由多个分数化的磁通组成，并进一步形成新的拓扑结构。

早在2002年，瑞典皇家理工学院的伊戈尔·巴巴耶夫（Egor Babaev）就从理论上预言：在多带超导体中，磁通涡旋可以携带小于一个磁通量子的磁通量，出现分数化。这种分数磁通涡旋被认为与任意子、分数统计乃至拓扑量子计算都有深层联系。但在过去的二十几年里，没有人能在真实材料里把它们分开、看清。

在接受《赛先生》采访时，丁洪与论文共同第一作者、共同通讯作者博士后胡全欣（现为厦门大学副教授），以及共同通讯作者、上海交通大学李政道研究所副教授吕佰晴，回顾了从失败的尝试到最终发现的完整历程。

超导是一种宏观量子现象：当温度低于临界值时，材料中的电阻彻底消失，且会把外加磁场排出体外。1957年，物理学家阿列克谢·阿列克谢维奇·阿布里科索夫（Alexei Alexeyevich Abrikosov）从理论上预言[2]，在第二类超导体中，磁场并不会被完全排斥，而是以一根根细小的“磁通管”穿入材料内部，每根磁通管周围都有超导电流环绕旋转，形成磁通涡旋。这一贡献后来成为阿布里科索夫获得2003年诺贝尔物理学奖的重要基础。

1961年，两个实验团队独立证实，每个涡旋携带的磁通量并非任意取值，而是严格量子化的，其基本单位为h/2e[3,4]；同年，物理学家杨振宁等人从理论上指出，磁通之所以以h/2e为单位量子化，是因为超导体中的电子两两配对，形成了电荷为2e的库珀对。[5]

自此，“磁场以整数磁通量子涡旋的形式进入第二类超导体”成为学界共识。

转机出现在多带超导体这类特殊材料上。2002年，瑞典皇家理工学院教授巴巴耶夫预言道，多带超导体的序参量具有多个相位自由度，涡旋的相位绕转可以只发生在其中某一个超导分量中，从而可以形成只携带部分磁通的分数磁通涡旋[6]。

然而实验观测分数化磁通存在许多困难。在多带超导体中，不同分数涡旋耦合于同一电磁场，又受到能带间约瑟夫森耦合的约束，彼此之间往往存在一种随距离近似线性增长的吸引相互作用，倾向于被束缚在一起，也就是携带一个整数磁通量子的复合涡旋。

丁洪将这一困境直接类比为粒子物理中的“夸克禁闭”。夸克之间的吸引力与强相互作用如出一辙，正如三个夸克被禁闭、组成质子和中子，夸克至今无法被单独打开。分数磁通涡旋长期处于一种“理论上允许、实验上难以显现”的类似状态。要让它们在空间上分离，需要找到一种能够稳定这种分裂的物理机制。

这项研究的起点，始于人才引进。

2022年底，丁洪与吕佰晴几乎同时加入上海交通大学李政道研究所——丁洪来自中国科学院物理研究所，吕佰晴则从美国麻省理工学院回国。当时李政道研究所正进行建制化的人才引进，引入了一批从事铁基超导研究的科学家，其中包括在德国工作了14年的俄罗斯物理学家瓦迪姆·格里年科（Vadim Grinenko）。

丁洪回忆，格里年科入职李政道研究所面试时，他当时是招聘委员会成员。格里年科长期研究Ba₁₋ₓKₓFe₂As₂体系，这是铁基超导家族中最经典而重要的材料体系之一。他对该体系中可能出现的“时间反演对称性破缺”很感兴趣。

而格里年科和丁洪的朋友、理论学家巴巴耶夫，正是分数涡旋理论的最早提出者。“巴巴耶夫是分数涡旋最早的理论预言者，2002年他就提出多带超导体中存在分数涡旋的可能性，我觉得很有趣，”丁洪说。

真正促使团队开启这项研究的，是2023年斯坦福大学莫勒（Kathryn Moler）团队与格里年科、巴巴耶夫合作的一项工作[7]。他们利用扫描超导量子干涉仪（SQUID），在Ba₁₋ₓKₓFe₂As₂中观测到了携带分数量子磁通的涡旋。但受限于分辨率，这一手段主要测量的是涡旋携带的磁通量，也就是磁场在穿透深度尺度上的空间分布，更像是在较远距离上测量一个涡旋带了多少磁通，看到的是一个较大的整体信号。

巴巴耶夫和格里年科向丁洪提议：能否改用能在原子尺度直接成像的扫描隧道显微镜（STM）来做。

“它其实算是一个新课题，”吕佰晴补充说，丁洪此前主要关注铁基超导中的马约拉纳零能模，转向分数涡旋，“和格里年科的紧密合作，以及他不断游说，有很大关系。”

2023年，实验条件终于成熟。在李政道研究所，青年学者严智明带领他的首位博士生郑渝成功搭建起一台极低温扫描隧道显微镜，其性能指标达到了国际前沿水平，为探索凝聚态物理中的关键科学问题提供了强大的利器。依托这一实验平台，丁洪迅速组织并带领联合研究团队，向这一富有挑战性的课题发起集中攻关。

最初，尝试并不顺利。

胡全欣告诉《赛先生》，团队起初想直接研究莫勒团队论文中的Ba₁₋ₓKₓFe₂As₂（x≈0.77）样品。然而，由于化学掺杂引入的无序以及122体系极性表面的复杂性，该材料中的超导解理面存在明显的表面重构和无序，都不利于STM成像，无法测量涡旋。

意外出现在一个被称为“砷面”的解理面上。团队在该表面发现了电荷密度波（CDW）的信号。胡全欣随即与丁洪讨论。“丁老师非常敏锐地猜到，这可能是由鞍点嵌套导致的，”胡全欣说。在丁洪的启发下，团队计算了砷面的空穴掺杂量，发现其恰好落在纯KFe₂As₂附近。空穴掺杂使原本位于费米能级下方的鞍点移动到费米能级附近，鞍点之间的嵌套进一步诱导了CDW的形成。该工作已发表于Nature Communications[8]。

当被问及为何能敏锐地抓住一个看似无关的反常信号时，丁洪笑言自己有两个特点：“一是记性比较好，看过的文章基本都能记住；二是喜欢大胆猜测、细心求证，物理直觉比较好，并且善于跟理论学家讨论。”

丁洪组织李政道研究所的“铁马”（铁基超导马约拉纳平台的简称）团队严智明、吕佰晴、格里年科、胡全欣、郑渝等，多轮讨论后有了新的想法，既然砷面的自空穴掺杂能把有效掺杂从0.77推到略超过1，那么反过来——从纯的KFe₂As₂出发，若能给它电子掺杂，是否就能把掺杂水平回退到关键区域？

“这是一个很自然的逆向思维过程，”丁洪说，想明白这一步“并没有花费特别长的时间”。随后，团队转而研究KFe₂As₂的“1×1”钾终止表面：表面上额外的钾原子可向最上层提供电子掺杂。简单的算术就能得出结论：多出的钾原子贡献使有效掺杂浓度落在0.75附近，恰好接近重空穴掺杂的关键区域。丁洪补充道，格里年科此前的研究表明，时间反演对称性破缺在从0.7到0.82的掺杂区间里都会出现，而0.75正好落在其中。

困住实验进程的最大挑战，是寻找大面积的“1×1”钾终止面。

胡全欣解释说，由于电中性的要求，钾原子层解理后通常会有一半钾原子离开表面，形成更常见的“√2×√2”重构面；而团队需要的“1×1”面既不常见也不稳定。

“这就像在大海上寻找一座小岛，只有这座小岛才可能具有我们需要的特殊性质。”胡全欣说。

为提高找到这一表面的概率，团队首先升级了STM的解理方法。普通STM一般在液氮温度下解理，团队将其改进为可在更低的液氦温度下解理——解理温度越低，所得表面越接近原始的、未重构的状态。随后，他们利用“1×1”面与“√2×√2”面在谱学特征上的显著差异，在不同表面间快速筛选，最终找到了目标表面，并通过准粒子干涉、超导谱测量和第一性原理计算，确认了其超导电性的显著增强和电子掺杂效应。

恰在此时，胡全欣拿到了普林斯顿大学的博士后录用的通知。胡全欣原是丁洪在中国科学院物理研究所的博士生，本计划到海外做博士后研究，这也是丁洪此前一直鼓励他做的。但实验到了关键时刻，胡全欣有些犹豫。于是，丁洪向他讲述了物理学史上的一段往事：物理学家戴维·派恩斯（David Pines）曾在约翰·巴丁（John Bardeen）门下做博后研究超导机理，后接受普林斯顿教职离开，而巴丁随后招来的新博后正是利昂·库珀（Leon Cooper）。最终，BCS理论解释了超导并获诺贝尔物理学奖，但没有派恩斯。派恩斯晚年提及，自己一生中最后悔的就是去了普林斯顿。（相关阅读：BCS超导理论开创者库珀去世，享年94岁）

“我就把这个故事讲给全欣听，”丁洪说。于是胡全欣选择留下，继续深入研究。

利用极低温、强磁场下的STM，研究团队在原子尺度对涡旋核心进行成像，观察到了反常现象。

团队发现，“1×1”钾终止表面上存在两类截然不同的涡旋：一类在温度变化中始终保持孤立的整数涡旋形态；另一类在低温下表现为孤立涡旋，单个的亮点，但把温度升到 4.2 开尔文，有些亮点开始变形、劈裂，分成两个、甚至三个分离的核心；再把温度降回去，这些小核心又重新合并成一个。升温裂开、降温合拢，可逆地反复发生。

“第一次看到涡旋劈裂时，我们非常惊讶，也非常谨慎，”胡全欣说。他解释说，按照传统直觉，一个孤立涡旋应当对应一个磁通量子和一个核心。如果在图像上看到一个涡旋位置出现多个核心，第一反应并不是马上认定它就是分数涡旋，而是要首先怀疑所有可能的实验因素和常规解释。

他介绍了排除假象的关键方法。STM的一个优势是能清晰获得原子形貌，从而通过缺陷位置精确定位测量区域。团队先在零磁场下、再在加磁场下测量同一区域，除磁场外保持所有条件一致，使每一个缺陷在两次测量中严格重合，再扣除背景，从而剔除杂质散射等与目标现象无关的贡献，“只改变温度，不改变任何其他条件”，由此清晰地追踪到同一涡旋的劈裂与重新合并。

谱学测量提供了关键的证据。与普通整数涡旋相比，分数涡旋核心中的涡旋束缚态信号明显更弱，而超导相干峰保留得更强。这与“部分核心奇点”的理论图像相符：在分数涡旋核心中，只有部分超导分量消失，其余分量仍保持超导。

“结合温度演化、空间分布、涡旋计数和谱学特征，我们最终将这些劈裂产生的涡旋核心归因于携带部分磁通的分数磁通涡旋。”丁洪告诉《赛先生》。

更引人注目的是，这些分数涡旋并非随机分布，而是倾向于排列成链状结构。理论分析表明，这类链状结构具有非平庸的拓扑性质，构成一种新型拓扑缺陷——手性超导斯格明子，其拓扑特征可由ℂP²拓扑不变量刻画。

这项工作虽然在今年5月正式发表，但早在2024年8月就上传至预印本平台arXiv。当时引发了部分同行质疑，团队又用近两年时间补充了大量的实验数据。

核心的质疑来自学界对该现象本质的不同判断。中国科学院物理研究所研究员潘庶亨指导的刘立民与朱长江此前在2021年的博士论文中，曾于同一材料体系报道过类似的超导增强和涡旋数目异常增多现象。丁洪告诉《赛先生》，他本人当时担任了相关博士论文的答辩主席，对这些现象有些印象，但当时论文未给出清晰的物理解释。

丁洪强调，团队并非从他们的结果想到分数涡旋，而是在自己在上海发现现象后，回想起曾见过这一异常。他认为这些早期观察“非常重要，应该得到充分尊重和引用”，论文引用了相关的两篇博士论文。

他坦言，至今亦有同行持不同看法，认为该现象是一种“假象”（artifact）。在数次同场报告中，双方各自陈述了观点。

丁洪表示，论文中明确写明无法百分之百排除其他可能，但综合实验与理论模拟、不同温度、不同样品、不同设备的大量验证，分数涡旋是“最大的可能性、最合理的解释”。为打消审稿人疑虑，团队在三台不同的STM上重复了实验，分别位于李政道研究所、北京怀柔综合极端条件实验装置和张江高等研究院。

丁洪对这种争论并不陌生。2017年，他在戈登会议上报告铁基超导中的马约拉纳证据时，第一个站起来反对的就是J.C. Seamus Davis，一位以高温超导机理和量子物质成像方面的实验研究而闻名的物理学家。而铁基超导是拓扑的这件事，如今已是共识。

“科学本质上是一个证伪的过程，”丁洪说，人们无法百分之百地证明一个理论为真，只能通过不断发现的新现象去检验它，就像万有引力定律和广义相对论，是在一次又一次新现象的验证中确立其正确性的。“在不断的质疑下，我们不断提供新数据、不断完善，这是正常的科学态度。”

他表示，对于未来可能出现的更多质疑，团队已做好接受评判的准备。在他看来，重要的是先朝着自认为正确的方向探索其前景，“最后证实它错，我们也不会觉得是个事情，其实（科学）是这样的一个过程。”

在丁洪看来，这项工作让一段科学史在眼前展开，“我觉得像梦似的”。

他向《赛先生》讲述了一个鲜为人知的故事：整数涡旋理论的提出者阿布里科索夫，其家族十月革命前曾在俄罗斯经营巧克力生意；而分数涡旋理论的提出者巴巴耶夫，其家族同样与俄罗斯的巧克力产业有关。两个“巧克力家族”各出了一位理论物理学家，一位研究整数涡旋，一位研究分数涡旋。

“巴巴耶夫甚至专门带了巴巴耶夫（牌的）巧克力送给我，”丁洪说，他感慨这段历史“很奇妙，以后得把这个故事写下来”。

丁洪本人的研究此前也与这条脉络有交汇之处。他回忆，自己2008年的一项工作曾在铁基超导中发现多带超导的迹象，多年后与巴巴耶夫的交流才让他意识到，那项工作“可能更重要的意义在于揭示了一种多带超导”。

这项研究的理论合作主要来自巴巴耶夫团队。由于不便长途飞行，巴巴耶夫主要通过线上会议与团队反复讨论，丁洪与胡全欣也曾两次赴瑞典当面交流。“在瑞典讨论的那几天非常兴奋，设计了好几个新实验，”丁洪说，其中一些后续会陆续发表。

从1911年超导现象被发现，到其在医用磁共振成像和粒子加速器中获得广泛应用，人类用了近一个世纪。分数磁通涡旋从理论预言到首次在原子尺度上观察到，也已走过二十余年。

回顾这段历程，胡全欣说：“做实验遇到困难时，绕一条路，可能又会走上一条对的路。办法总比困难多。”吕佰晴也有相似的感受：“科学是未知的，你可能最开始想做这个，但是得到了你不想要的结果，这个时候就像全欣说的，你要转个弯，就会发现柳暗花明又一村。”

丁洪说，这项发表不是一蹴而就的。他强调，这是一项基础科学发现，揭示了多带超导体中一种新的拓扑缺陷和分数化激发，短期内不一定马上转化为器件应用。从长远看，分数磁通涡旋与任意子、分数统计以及拓扑量子计算有着深层联系；若未来能够可控地产生、移动和编织分数涡旋，它们或许能成为拓扑量子信息研究的新平台。

最让他感兴趣的是，该体系将成为一个可控的物理“游乐场”，就像玻色-爱因斯坦凝聚体那样，能够让不同的研究者继续借助这一平台测量分数涡旋之间的吸引力，检验其是否与夸克间的胶子作用相似等。他甚至提出：如果在整数涡旋中也存在马约拉纳零能模，那么分数涡旋里会发生什么？这相当于在质子、中子的层面之下，进一步追问夸克层面的物理。

尽管争议仍在，眼下还有一长串实验等着做：用扫描SQUID、扫描氮-空位（NV）色心探测或相敏-约瑟夫森实验，去直接证明表面确实破缺了时间反演对称性；在更宽的温度和磁场范围里，统计涡旋劈裂的规律；以及，主动地产生、移动、编织这些分数涡旋和斯格明子。目前，团队已在与复旦大学等单位合作推进相关研究，更多新的结果还在路上。

注：封面图由寂寞帅猫制作，图片来源李政道研究所。

作者简介：

赵金瑜，《赛先生》科学写作小组成员，中国科学院物理研究所博士，现为北京高压科学研究中心博士后。

陈晓雪，《赛先生》主编。