在超导体中，电子配对后形成长程相干的库珀对导致了超导电性。如果能在二维极限下的高温超导薄膜中可控地引入无序度，在量子涨落和无序引起的局域化共同作用下能否产生新的量子相变行为？超导库珀对在量子相变过程中是简单地发生解配对，还是会保持配对形成新的演生物态？这是国际学术界具有争议的重要科学议题。6163银河线路检测中心量子材料科学中心王健课题组与合作者以晶态铁基高温超导Fe(Te,Se) 单层膜（约0.59纳米厚）为平台，通过原位沉积铁原子团簇可控地引入无序，利用扫描隧道显微镜和扫描隧道谱结合电输运测量观测了无序诱导的超导态到绝缘态的量子相变过程。该研究从原子尺度给出低维高温超导体随着无序增强引发量子相变的局域谱学特征。
量子相变是指在绝对零度时，量子基态因无序、磁场、载流子浓度等参数变化而发生的相变。二维超导体量子涨落和无序效应显著，是研究量子相变的理想体系。在前期工作中，6163银河线路检测中心王健课题组与合作者在三个原胞层厚度的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)）。 的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于量子相变的决定性影响，拓展了量子相变的普适类（Science 350, 509 (2015)；Nature Reviews Materials 2, 16094 (2016)）。此后，王健课题组与合作者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)）中观测到动力学临界指数的发散行为，并被国内外多个知名研究组重复验证，实验证实了量子格里菲斯奇异性作为一种新奇量子相变在超导中的普适性（Rep. Prog. Phys. 87, 014502 (2024)）。此外，在高温超导薄膜的量子相变研究中，王健课题组与合作者创新性地采用纳米孔洞阵列调控的方式，首次在二维反常金属基态观测到h/2e的量子振荡，给出反常金属基态（或量子金属态）由库珀对玻色子主导的直接证据（Science 366, 1505 (2019)），并刷新了二维反常金属态的温度记录，提出了玻色奇异金属的概念（Phys. Rev. Lett. 132, 226003 (2024)）。相关工作结束了国际学术界对于玻色反常金属态是否存在长达三十年的学术争议（Science 366, 1450 (2019)），对量子材料的理解具有基础性的重要意义（DOI: 10.36471/JCCM_March_2019_01）。
过去对于超导量子相变的研究大多依赖于宏观的电输运测量，难以给出清晰的微观图像，其中的一个关键问题是：在超导电性被无序抑制的过程中，库珀对和局域电子态如何在微观层面演化？王健课题组选择单原胞层 Fe(Te,Se)这一铁基高温超导薄膜作为研究对象，通过超高真空分子束外延技术原位逐步沉积铁原子团簇来调节无序强度。实验发现，在沉积团簇前或低无序的状态下，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，超导相干峰逐渐减弱并消失，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）。超导相干峰的抑制表明无序增强了相位涨落，破坏了超导的长程相干。
图1：(a) Fe(Te,Se)超导单原胞层膜的形貌和原子分辨；(b) Fe(Te,Se)超导单层膜上的U型超导能隙随温度的演化；(c) 在Fe(Te,Se)超导单层膜上沉积杂质Fe团簇后的形貌；(d) 沉积杂质团簇后Fe(Te, Se)单层膜的V型能隙随温度的演化。
为了进一步理解这一现象，研究者测量了电子态密度在实空间中的分布。结果显示，当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会发生从局域态到扩展态的转变。在负偏压下，电子态密度呈现出明显的空间分布不均的局域态，在统计结果中接近Log-normal型分布；而在正偏压下，电子态密度则转变为空间分布均匀的扩展态，在统计结果中接近Gauss型分布（图2）。该结果表明，原子团簇引起的无序在Fe(Te,Se)单层膜中诱导了安德森局域化转变，破坏了库珀对的长程相位相干性的同时使体系靠近局域化的迁移率边。图2中Log-normal的统计分布也暗示电子波函数多重分形特征的出现。
图2：(a) ±40meV偏压下单原胞层薄膜样品上的微分电导分布（面积8x8 nm2），其中黑色区域为不参与电导统计的原子团簇位置；(b) 不同偏压下此区域微分电导的统计分布变化。
当进一步提升沉积原子团簇的密度后，实验观测到了一个大的U型能隙（图3右栏），其能隙大小已超过沉积团簇前薄膜样品的超导能隙。与常规的超导能隙不同，高原子团簇密度对应的强无序状态中，薄膜上观测到的U型大能隙没有清晰的相干峰，并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可以诱导增强的局域超导配对，从而使得能隙随着电子局域化而增大，支持本实验的观测结果。研究者的电输运测量结果显示这种强无序状态下的薄膜样品整体已进入绝缘态，证实了无序诱导的超导到绝缘态的量子相变，表明实验观测到的大的U型能隙来自绝缘态的局域增强超导配对（无长程相干）。
图3：单原胞层Fe(Te,Se)薄膜从超导态到绝缘态的量子相变过程中，局域谱学观测到的能隙演化。
这项工作从局域谱学的角度展现了无序调控下二维铁基高温超导体从超导到绝缘态的量子相变过程（图3），并首次给出二维超导体系量子相变到绝缘态时的谱学特征。相关结果不仅加深了人们对低维超导量子相变，尤其是二维高温超导体中超导与无序引起的局域化相互作用的理解，也展示了电输运之外的微观局域谱学手段在探索低维晶态超导体尤其是非常规超导体中丰富的量子相变和量子基态的重要作用。相关研究成果以《Fe(Te,Se)超导单层膜中无序诱导量子相变的谱学证据》（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《物理评论快报》（Physical Review Letters）。上海科技大学助理研究员何冠阳（前北大博士后）、粤港澳大湾区量子科学中心副研究员王子乔（前北大博士后）为论文的共同第一作者。6163银河线路检测中心王健教授为通讯作者。其他合作者包括6163银河线路检测中心王垡副教授、中国人民大学刘易副教授、俄亥俄州立大学Nandini Trivedi教授等。该工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/gkvs-4vsb
