物理学院王健课题组揭示原子尺度下的局域谱学揭示超导-绝缘体相变的量子秘密
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超导态来源于电子配对形成长程相干的库珀对，如果在二维极限下的超导薄膜中引入无序，在量子涨落和局域化共同作用下，库珀对在量子相变过程中是发生解配对，还是保持配对形成新的演生物态是国际学术界的重要科学议题。北京大学物理学院量子材料科学中心王健教授课题组与合作者在晶态铁基高温超导Fe（Te,Se）单层膜（约0.59纳米厚）中，通过原位沉积铁原子团簇可控引入无序，利用扫描隧道显微镜与扫描隧道谱，首次在二维非常规高温超导体中观测到无序诱导的超导到绝缘态量子相变的局域谱学特征，揭示出绝缘体态的库珀对局域化起源。相关研究成果以“Spectroscopic evidence of disorder-induced quantum phase transitions in monolayer Fe（Te,Se）superconductor”为题，于2026年4月29日发表于物理学期刊Physical Review Letters。
在前期工作中，王健课题组与合作者在3个原胞层厚的Ga薄膜中发现了动力学指数在相变临界点发散的新型量子相变——量子格里菲斯奇异性（Science 350, 542 (2015)），并在多种二维超导体系（Nat. Commun. 10, 3633 (2019); Phys. Rev. Lett. 127, 137001 (2021)）和强涨落的三维超导体系（Phys. Rev. Lett. 133, 226001 (2024)）中证实了量子格里菲斯奇异性在超导中的普适性。该发现突破了人们对于量子相变以及Kosterlitz-Thouless拓扑相变临界指数为固定值的传统认知，揭示了无序和耗散对量子相变的决定性影响，拓展了量子相变的普适类。
超导量子相变的前期研究大多依赖宏观的电输运测量，缺乏清晰的微观图像。王健课题组选择Fe（Te,Se）高温超导单层膜作为研究对象，通过超高真空分子束外延原位沉积铁原子团簇来调节无序强度。实验发现，在沉积团簇前（低无序状态），扫描隧道谱表现出清晰的超导能隙和相干峰。随着原子团簇增加、无序增强，能谱由典型的U型超导能隙演化为零偏压电导非零的V型能隙（图1），超导相干峰逐渐减弱并消失，表明无序增强了相位涨落，破坏了超导的长程相干。
图1 单原胞层Fe（Te,Se）超导沉积Fe团簇前后，局域谱学观测到从U型超导能隙到V型能隙的变化
研究者进一步测量了沉积中等密度的原子团簇后电子态密度在实空间中的分布。在负偏压下，电子态密度呈现出空间分布不均的局域态，统计结果接近Log-normal型分布；在正偏压下，电子态密度转变为空间分布均匀的扩展态，统计结果接近Gauss型分布（图2）。这表明原子团簇引起的无序在Fe（Te,Se）单层膜中破坏库珀对长程相干性的同时使体系靠近安德森局域化的迁移率边。
图2 沉积中等密度的原子团簇后，电子态密度实空间分布在不同偏压下发生从局域态到扩展态的转变
进一步提升沉积原子团簇的密度（强无序状态），实验观测到大的U型能隙（图3右栏），其能隙大小超过沉积团簇前样品的超导能隙。强无序下观测到的大能隙没有清晰的相干峰，且能隙大小随无序增强而增大，这一不同寻常的量子效应显示了超导与局域化的相互作用。在先前的理论研究中，电子波函数的多重分形特征增强局域超导配对，使得能隙随着电子局域化而增大，支持本实验结果。电输运测量显示强无序下的样品整体已进入绝缘态，证实了无序诱导的超导到绝缘态量子相变。
图3 单原胞层Fe（Te,Se）薄膜从超导到绝缘态的量子相变过程中，局域谱学观测到的能隙演化
这项工作首次给出无序调控下二维铁基高温超导体超导-绝缘体量子相变的局域谱学演化特征（图3）。相关结果加深了人们对低维高温超导量子相变特别是超导与局域化相互作用的理解，展示了局域谱学手段在探索非常规超导体中量子相变和量子基态的重要作用。
上海科技大学助理研究员何冠阳、粤港澳大湾区量子科学中心副研究员王子乔为论文的共同第一作者。王健为通讯作者。
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