超導研究是凝聚態物理領域長盛不衰的課題。

1911 年，荷蘭物理學家海克・卡末林・昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）用液氦冷卻汞首次發現了超導電性，之後 100 多年時間，歷代科學家孜孜不倦讓超導探索百花齊放，相關研究已獲得過 5 次諾貝爾獎，誕生過 10 位諾獎得主。

新的超導材料被不斷髮現，每一種都可能揭示出前所未有的科研方向與可能性。例如，20 世紀 80 年代發現鑭鋇銅氧化物、釔鋇銅氧系和鉈鋇鈣銅氧系材料的超導特性，進入 21 世紀，科學家們又相繼在鐵基氮磷族氧化物、二硼化鎂、硫化氫以及十氫化鑭中發現超導，科學家們把超導的臨界溫度不斷提升，同時也在持續求索超導原理之謎，尋找更好的超導材料。

近年來比較熱門的超導科研方向出現在二維材料領域，比如石墨烯。在 2018 年，21 歲中國青年科學家曹原在《自然》期刊上連發兩篇論文，介紹了 “魔角石墨烯超導”，兩層石墨烯以 1.1 度的偏轉夾角疊起來時實現了 1.7K 溫度下的超導。

同樣是在 2018 年，來自清華大學物理系的副教授張定，也在二維超導領域開闢出了 “新天地”，他驗證了一種新型的二維超導材料：錫烯。

不僅如此，透過深入研究，2020 年 3 月份，張定和團隊還提出了一種新的提高超導體臨界磁場的物理機制，這大大拓寬了人們尋找類似特性超導材料的範圍，相關成果曾先後發表在 Nature Physics 和 Science 上。憑藉這些科研貢獻，張定成功入選了《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創新 35 人” 2020 年中國區榜單。

圖｜《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創新 35 人” 2020 年中國區榜單入選者張定

師從諾獎得主馮・克里青，學成歸國到清華

張定本科期間就讀於北京大學物理學院，2008 年大四下旬，他成功申請到去國外讀碩士、博士繼續深造的機會，其中一個單位便是德國有名的馬克斯普朗克固態研究所（簡稱馬普所）。

幸運的是，第一次去馬普所面試，張定便與德國物理學家克勞斯・馮・克里青（Klaus von Klitzing）相遇，雙方聊得十分投機。馮・克里青曾在高強度磁場實驗室發現量子霍爾效應，並因此獲得了 1985 年諾貝爾物理學獎，面試之餘，馮・克里青還帶著張定參觀了其實驗室目前在做的相關研究，後來也成了他的博士導師。

“在 2008 年的時候，國內能夠做那種非常強磁場或同時加上極低溫測量環境的先進實驗室其實也非常稀少，當時參觀完實驗室，瞭解到那些世界前沿的研究我就被深深吸引住，另外，也非常想嘗試在一個諾獎得主的團隊裡面學習工作，看一看諾獎得主的實驗室到底是怎麼工作的，抱著這些期望我去了德國，在德國學習了接近 6 年時間，主要做跟量子霍爾效應特別相關的研究。” 張定回憶道。

臨近博士畢業的張定在與薛其坤的交談中，瞭解到近年來中國科技發展的迅猛速度，科研事業迎來一個非常好的時期，包括清華在內的很多高校已經做出許多世界領先的科研成果。

張定表示：“當時我是毛遂自薦說想要加入薛老師團隊的，抱著一腔熱血決定回國，來到清華從一個博士後開始慢慢幹起。從 2014 年到現在剛好又是 6 年時間，從博士後到助理教授、副教授，慢慢也完成了自己的實驗室搭建。目前主要做的方向是關於超導，跟之前有所轉變，但用到的實驗技術和技巧，與在馬普所期間受到訓練所做的事情很多地方是一致的。”

“意外” 發現錫烯超導電性，開啟科研新思路

關於錫烯超導特性的理論知識和製備研究，其實有著不少華人科學家的努力身影。

從 2004 年開始，科學家對二維材料石墨烯的研究不斷取得重要成果和突破，因此，類石墨烯材料的發掘也成為了整個凝聚態物理和材料科學領域的焦點。其中，基於錫的二維材料 “錫烯” 就是一種被看好的新材料，被譽為是石墨烯的 “表親”，錫烯（Stanene）的命名也來自錫（Stannum）和石墨烯（Graphene）的組合。

2006～2007 年期間，美籍華裔物理學家、斯坦福大學教授張首晟發現二維拓撲絕緣體支援量子自旋霍爾效應，理論上可以獲得一種自旋驅動的幾乎沒有能量損失的導電性。

2013 年，清華大學助理教授徐勇與張首晟教授在此基礎上展開合作，曾預言了錫烯這種新型拓撲材料。錫烯是一種可以在室溫下工作的大能隙二維拓撲絕緣體，它由單原子層的錫構成，邊沿態在室溫下可以實現量子自旋霍爾效應，透過對錫烯的調控，還有望實現拓撲超導態、超級熱電效應以及室溫下的量子自旋霍爾效應等。

如同石墨烯的早期發展階段，接下來的幾年中，如何製備出錫烯一度是個難題，包括清華大學、中國科學技術大學、上海交通大學等高校在內的科研團隊都曾與美國斯坦福大學張首晟教授展開合作進行技術攻堅。

在 2015 年，科學家們利用分子束外延生長技術首次實現了錫烯二維晶體薄膜製備。2018 年，科學家們再次利用分子束外延技術成功製備出了具有拉伸晶格結構的單層錫烯，首次發現單層錫烯可以表現出與石墨烯相同的平面蜂窩狀結構，並結合第一性原理計算證實了其存在拓撲能帶反轉及拓撲邊界態。

清華大學團隊一直錫烯材料研究的重要參與方，這也給張定的進一步科研工作打下了紮實的基礎。2018 年，清華大學薛其坤教授、何珂教授研究組利用分子束外延生長技術，在矽襯底上製備出鉍碲 (Bi2Te3) 和鉛碲 (PbTe)，最終在鉛碲 (PbTe) 上生長出了高質量的錫烯薄膜。

張定帶領研究團隊開展了對錫烯薄膜進一步的極低溫電、磁輸運測量，由單層到多層，幸運的是，他在僅有 2 到 5 個原子層厚度的灰錫薄膜中成功發現了超導電性。

更有意思的是，外延生長的錫烯薄膜穩定性非常好。比如說隔了好幾個月重新再做實驗的話，團隊在這隻有幾層原子厚度薄膜中實現超導，可以繼續測它的一些電學的性質，包括後來直接把樣品帶到德國馬普所去做實驗，長途運輸等，後來驗證在沒有任何保護層的情況下，這種錫烯薄膜的超導電性可以長久保持超過一年。

這項研究還表明，錫烯的態密度受到了襯底的調製，導致了超導電性的出現。透過改變襯底厚度，他們還實現了錫烯從單帶超導體到雙帶超導體的轉變，實驗中的最高超導轉變溫度為 3.7K（-269.45 攝氏度）。

“雖然有理論預言這個材料有可能會是一個超導，但實際上還是挺意外和驚喜的。在第一期試驗中我們整個團隊本來是想做跟拓撲絕緣體相關的性質研究，最核心的目標肯定是想實現量子自旋霍爾效應，想看一下它的拓撲行為，但無意間發現了它的超導跡象，進一步測量得到了驗證。” 張定表示。

發現全新物理機制，探秘拓撲超導的可能性

由於之前已有研究證明了錫烯材料存在拓撲能帶反轉及拓撲邊界態，現在又發現了超導電性，這為拓撲超導的研究提供了新思路，也讓張定對解密錫烯材料的更多特性產生了濃厚興趣。

超導的一個特性維度就是與臨界磁場相關，醫療上的先進核磁共振裝置等就是用超導體來實現強磁場的應用。

為了進一步深刻理解錫烯的二維超導特性，張定研究團隊與德國馬普所的約瑟夫・福森（Joseph Falson) 博士和尤根・斯密特（Jurgen Smet）教授合作，利用極低溫強磁場下原位旋轉測量技術，系統測量了不同厚度錫烯樣品在近乎整個超導溫度區間上臨界磁場的變化行為。

結果發現錫烯的上臨界磁場不僅超出 “泡利極限”，而且在溫度逼近絕對零度時仍無飽和跡象，這是一個典型的伊辛超導行為，有理論研究認為，伊辛超導體可以創造馬約拉納費米子，能為拓撲量子計算研究提供新的實驗平臺。

為了總結這種神奇的現象，研究人員透過理論與實驗相結合，最終提出了新一類伊辛配對機制，即一種新的可以提高超導體臨界磁場的物理機制。

關於研究的展望，張定認為錫烯超導目前距離應用還尚遠，並不是一個非常高溫的超導材料，不過優勢是它在空氣中比較穩定，超導電性也比較穩定，還有可能跟拓撲性質結合起來，對於進一步要做的實驗操作，比如量子操控會產生一定的好處，但是前提還是要證明它的拓撲性質跟超導性質確實能結合在一起，以進一步探索拓撲超導的可能。

另外，與石墨烯材料不同，錫烯需要在一些特殊的襯底上生成，不同襯底會使得錫原子的間距發生變化，改變了原子的間距以後，很多量子的這些性質就完全變了，同時也可以選擇不同的上層 “懸掛件” 元素，來調控或者影響它。

“它本身就有一個量子效應，然後量子效應保證了它在外加強磁場時仍然能保持超導電性，它的臨界磁場遠遠超出了傳統理論的極限。進一步研究發現，這個性質不是這一個材料所獨有的，很多材料都可能具有類似的特性。所以我們的研究相當於是一個起點，從此可以啟發大家去尋找更多的具有這種量子效應的材料。” 張定表示。

這類偏基礎科學的探索，對於擴充套件量子計算的未來具有關鍵意義。量子計算具備遠超經典計算的運算能力，但長期困擾科學家們的問題是 “退相干效應”，由於量子計算機不可避免地與環境耦合而產生各種噪聲，從而使計算過程產生各種錯誤。

近年來，學術界提出了拓撲量子糾錯成為一種有效解決方案。在拓撲量子計算的過程中可以完全糾正出現在任意量子位元上的單位元錯誤，而且當每個量子位元都以相同機率發生錯誤時，受保護的量子關聯的有效錯誤率會大大降低。

而拓撲超導體能借助超導態下的穩定電子配對和量子相干效應，有可能出現馬約拉納費米子，它的反粒子就是自身，科學家們則有望操控馬約拉納零能模，實現更好的容錯拓撲量子計算，提升能效比、實用性和運算速度，助力打造新一代量子計算機。