常规超导体中形成库珀对的电子具有相反的自旋，而与之相反，铁磁体中电子的自旋，趋于在同一方向排列。因此，通常在同一材料中，实现超导性与铁磁性的共存是十分困难的。但随着材料制备技术的发展，人工构筑的超导-铁磁体异质结为研究两种有序态之间的相互作用提供了重要平台。尽管前期研究已在这类体系中观察到丰富而复杂的物理现象，但如何提高界面质量、如何应用原位表征方法对超导能隙直接探测仍然是亟待解决的问题，此外其外磁场下的物理性质也很不清楚。近期，清华大学物理系博士毕业生姬力琛、陈威及其合作者在铅（Pb）/碲化铬（CrTe）异质结薄膜中系统研究了超导与铁磁在二维界面的相互作用，相关成果以“Pb/CrTe复合薄膜中的反近邻效应和非常规超导态”（Inverse Proximity Effect and Unconventional Superconductivity in the Pb/CrTe Hybrid Thin Films）为题发表在《纳米快报》（Nano Letters）( Nano Lett. 26, 4987(2026) )上。

研究团队采用分子束外延方法，制备了高质量的Pb/CrTe垂直层状异质结薄膜，其晶体结构如图1 (a)所示，表现出良好的二维生长特性。通过精确调控生长条件与时间，研究团队实现了对于超导层和铁磁层厚度的原子级控制。利用局域的扫描隧道显微谱观测到超导性随Pb层厚度增加而逐渐增强（图1 (c)和(d)），并且超导能谱呈现出不同于传统BCS理论的“V”型能隙（图1 (d)）。基于Usadel方程的理论模型很好地再现实验中零偏压电导抬升和相干峰削弱的行为，从而证实了CrTe铁磁层对顶层Pb超导态产生的反近邻效应。

图1: (a) Pb/CrTe 垂直异质结的原子结构；(b)上图异质结的反射式高能电子衍射图样，下图是扫描电子显微镜测量的异质结表面形貌图；(c-d) S1～S4样品表面扫描隧道谱（CrTe层厚固定为2层，Pb层厚逐渐增加，S1:3.5 nm，S2 7 nm，S3 10.5 nm，S4 14 nm），测量温度：60 mK。(d) 橙色曲线是Usadel模型的理论拟合结果。

进一步，研究团队在两组异质结样品中开展了电输运测量。在第一组样品中，固定CrTe层厚为10.8层，在5至30 nm范围内调节Pb层厚度时，观测到超导性随Pb层厚度单调增强。相较于相同厚度的纯Pb薄膜，异质结中的超导临界温度和上临界场均显著降低，表明外加磁场增强了下层CrTe膜对上层Pb膜产生的交换相互作用。在另一组样品中，固定Pb层厚为20 nm，CrTe层厚度在0至61.2层范围内调节时（图2 (a)），复合薄膜超导性表现出显著的非单调行为。超导转变温度随CrTe厚度先快速下降，随后再次上升，并最终进入小幅振荡区间（图2 (b)）。这一反常的行为表明在超导/铁磁异质结中形成了类FFLO态。在施加面外磁场（0.04至0.08 T）时，超导性随CrTe厚度增加先被逐渐压制，随后又重新出现，呈现出超导再进入行为（图 2 (c)）。上述实验现象，同样可以在统一的Usadel理论模型中得到良好复现（图2 (d)）。

图2:(a) 电阻-温度曲线（Pb层厚固定为20 nm， CrTe层厚为0～61.2 层）；(b)零场下超导临界温度随CrTe层厚度变化的曲线；(c)超导临界温度随CrTe层厚度和外加垂直磁场变化的相图；(d) Usadel模型的理论模拟。

本研究在同一体系中结合微观与宏观实验手段，对超导/铁磁异质结界面的近邻与反近邻效应进行了直接观测，并通过自洽的理论模型对实验结果进行统一描述，系统揭示了Pb/CrTe体系中类FFLO态的非常规超导性。相关结果不仅加深了对超导性和铁磁性相互作用的理解，也为基于磁性范德瓦尔斯材料的二维超导/铁磁异质结构及超导自旋电子学器件的发展提供了新的可能。

清华大学物理系博士生姬力琛（已毕业，现为德国马普研究所博士后）、陈威（已毕业，现就职于中芯国际）为本文的共同第一作者，清华大学物理系季帅华教授为本文的通讯作者，文章的合作者还包括南方科技大学薛其坤教授、清华大学物理系张定副教授、清华材料学院谷林教授、中国科学院物理研究所张庆华副研究员。该工作获得国家自然科学基金、量子科学与技术国家科技重大专项和低维量子物理国家重点实验室自主科研项目的支持。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c06104