近日，清华大学物理系张定研究组与日内瓦大学、北京量子信息科学研究院（以下简称“北京量子院”）、北京师范大学、日本国立材料研究所、南方科技大学等研究者合作，在多层伊辛超导中观测到零耗散态中磁场诱导的一级量子相变，为新型非零动量配对态的存在提供了关键实验证据，相关成果以“通过一级相变进入可能的轨道FFLO态的谱学证据”（Spectroscopic evidence for a first-order transition to a possible orbital Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov state）为题，于7月16日正式发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。

图1：多层伊辛超导中零动量配对态（左）和非零动量配对态（右）的示意图

在经典BCS理论中，超导中的电荷两两配对，且每一库珀对的总动量为零。上世纪60年代，Fulde和Ferrell以及Larkin和Ovchinnikov提出，在磁场引起塞曼劈裂的情况下，系统可以通过形成总动量非零的库珀对来降低总能量，所形成的零耗散态被后人称为FFLO态。由零动量配对到非零动量配对的转变对应着量子相变，通常是一级相变。近年来，理论学者进一步预言，在多层伊辛超导中，磁场的轨道效应可以诱导出一种新型非零动量配对态。这被称为轨道FFLO态（图1）。随后，人们的确在一系列具有强自旋轨道耦合的层状超导中发现了符合轨道FFLO态预期的临界磁场随温度演化的行为。然而，为了证实轨道FFLO态的存在，还有必要测定出从零动量态到非零动量态的一级相变。这对实验提出了极高的要求。

图2：实验与理论得到的不同厚度样品中的相图。

在最新的研究中，研究团队构造了高质量范德瓦尔斯隧穿结，将磁场与多层伊辛超导的晶面进行高精度对齐，观测了超导隧穿谱在平行磁场下的演化行为。研究发现，多层伊辛超导在零电阻态下其超导能隙会在某一磁场下突变并伴随回滞行为。这是典型的一级相变的特征。研究团队还发现，该一级相变仅发生在外加磁场与材料二维晶面近乎理想对齐时，并且敏感依赖于样品质量。这些特征都符合对轨道FFLO态的预期。为了理解实验所得到的相图，研究团队将此前在双层伊辛超导中提出的理论推广至多层体系，分析并建立起了多层中非零动量的分布形式，计算得到了与实验一致的相图（图2）。该研究成果表明，隧穿谱是一种研究介观尺度样品中新奇量子态的灵敏探测手段，可以用来研究层状超导中丰富的量子物相。

清华大学物理系博士生曹宗正（2020级，已毕业）、北京量子院廖孟涵副研究员以及北京师范大学博士生颜鸿溢为论文的共同第一作者。通讯作者为北京量子院廖孟涵副研究员、北京师范大学刘海文教授及清华大学张定教授。论文的合作者有北京量子院朱玉莹副研究员、张立果副研究员、日本国立材料研究所Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi教授、瑞士日内瓦大学Alberto Morpurgo教授、南方科技大学薛其坤教授。该研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-72134-z