不開組會，專注實驗，他們的一項研究刷新世界紀錄

“文章被接收不足讓我們感到興奮。感到興奮的是，這項研究讓我們學習到了未知的部分，彌補了自己知識的空白。”在接受《中國科學報》記者采訪時，南方科技大學副教授殷嘉鑫如是說。

近日，一項由殷嘉鑫團隊帶領的國際團隊完成的研究成果登上《自然》。他們在南科大量子奇點與演生物質實驗室中觀測到了手性籠目超導振蕩現象，并將電子譜學空間能量分辨率提升至1微電子伏特。

這一高精度分辨率一舉刷新了由美國國家科學院院士、康奈爾大學教授Seamus Davis團隊在2023年創造的10微電子福特量級的世界紀錄。

與很多課題組不同，殷嘉鑫帶領團隊有一個特點，那就是從不開組會，而是把實驗技藝做到極致。“我們的工作模式更像是‘工匠’，實驗技巧十分關鍵，因此我傾向于親自指導學生，進行一對一的交流。”殷嘉鑫介紹。

為研究搭好“金剛鉆”

100多年前，科學家們發現了超導現象。學界認為，超導與磁性是兩種互斥的量子態，水火不容。此前，有科學家提出了磁性超導的可能性，在籠目晶格的材料下，超導和磁性都發生了某種奇特的扭曲，從而有了兼容對方存在的可能性。

所謂籠目，指的是竹籠格子的星狀圖形。2020年，還在普林斯頓大學擔任研究員的殷嘉鑫所在的團隊率先在《自然—材料》期刊中提出了“籠目超導體”的概念，快速成為了物理學研究的熱門關鍵詞。

然而，沒有金剛鉆，做不好瓷器活。想要在籠目結構的材料中觀察到其存在的超導態并非易事，需要創造極端的物理條件來實現對這種量子物態的觀測。

“這對實驗條件要求極高。即使是我所在的普林斯頓大學的實驗室，也沒有先進的實驗條件能夠觀測到這種現象。”殷嘉鑫介紹，慶幸的是，在他2022年回國后，南科大的量子奇點與演生物質實驗室在校長團隊和物理系的大力支持下順利建設完成，滿足了他的研究所需要的實驗條件。

用于觀測籠目晶格超導態的極低溫超高能量分辨率的掃描隧道顯微鏡系統 刁雯蕙攝

殷嘉鑫介紹，搭建這個“金剛鉆”主要分為幾個步驟：“首先，需要建設一個特殊的實驗室空間，在實驗室里挖一個深達4米、寬4米的巨坑，并填充減震沙子；然后，放置二三十噸的水泥塊進一步鈍化外界震動；接下來，用金屬將整個屋子包裹起來，以屏蔽電磁信號。”殷嘉鑫介紹，在這個特殊的實驗室空間里，搭建所需要的實驗儀器和所需要的真空腔體、制冷系統和顯微鏡部件，以達到研究所需要的極限條件。

在南科大量子奇點與演生物質實驗室里，殷嘉鑫進一步帶領團隊搭建了極低溫超高能量分辨率的掃描隧道顯微鏡系統，采用潘氏馬達技術路線，開展超低溫的籠目超導態的高分辨測量和研究。

“在鋼絲上行走”

在這項研究中，殷嘉鑫團隊在籠目超導體KV₃Sb₅和CsV₃Sb₅中發現手性超導能隙振蕩，周期為2×2。超導能隙振蕩的手性可以被施加的外磁場調控成順時針或逆時針旋轉。此外，團隊還利用超導針尖構建約瑟夫森隧道結，探測到配對電子密度為2×2的手性振蕩。

審稿人在評價中指出，研究團隊所做的實驗難度很高，所展示的空間能量分辨率是目前最好的。在科學層面，該工作解釋了籠目超導體中的微小磁性，以及超導與磁性在籠目晶格中的對立與統一。

“這是一種追求極致的技術。就好比在刮風下雨的環境下，在百層高的摩天大樓上進行鋼絲表演。”殷嘉鑫說道，這項研究最難的地方，便是創造一種極端的物理環境對籠目晶格材料進行觀測，需要同時滿足三種條件：

一是運用一種非常尖銳的針尖來探測超導電子的量子態，這個針尖只有一個原子大小，可以達到原子級的空間分辨率；二是創造一種極低溫的環境，測量溫度比宇宙空間中的溫度（3開爾文）還要低兩個量級；三是設計一套屏蔽系統和測量方法，形成一種噪音水平很低的觀測環境。

殷嘉鑫 受訪者供圖

為了驗證研究結論，殷嘉鑫團隊進行了多次重復論證，他們運用三種不同的籠目結構的姊妹材料，通過普通針尖和超導針尖兩種方式進行論證，最終成功地在所有籠目結構材料中重復出現了相同的現象。

“物理學家是保守的革命者，學術上的銜接是很重要的。當我們看見了前人沒有看見的現象后，新結論是否與前人的研究形成銜接。這是我們一直在思考的問題。”殷嘉鑫介紹，對此，當他重讀了理論物理學家、中國科學院院士于淥在1964年發表的研究，發現團隊所觀測到的現象與于淥提出的研究結論形成了對立統一的關系。相關的評論文章于上個月在《物理學報》上發表。

用挑剔的眼光做科研

“我本身是一個比較挑剔的人，這種性格也體現在科研上。我首先會批判自己的研究，也忍不住會批判別人。但這樣容易得罪人，所以我不愛出去開會。”殷嘉鑫笑著說。

他回憶道，有一次在實驗室里，一位研究生采集的數據包含了大量的噪音，但學生堅持采集此類數據，并認為這個數據能夠驗證他的實驗發現。殷嘉鑫隨即指出，這樣的數據在說服力上顯得薄弱，因為外界很可能會對噪音中信號的真實性提出質疑。隨后，他們共同優化了測量策略，提升了采樣率，排除了屏蔽室內的噪音源，最終成功地提高了數據的信噪比。

殷嘉鑫（左三）與研究團隊 受訪者供圖

正是這種科研工作中嚴謹的態度，讓這項研究的投稿過程十分順利。自2023年12月底，研究團隊開始向Nature投稿，短短半年的時間，便被接收。“在投稿前，我會先讓團隊內部進行自查自糾，不斷凝練和驗證實驗結果，確保數據的嚴謹性和充分性。這是我們投稿后比較順利的一個原因。”

殷嘉鑫看來，科研是探索未知，也是一個學習的過程，要以不斷學習的心態，力爭每天都有進步。未來，研究團隊也將進一步在籠目晶格中探索不同于超導與量子霍爾效應的第三類宏觀量子態。“基于前期的研究，我們認為第三類宏觀量子態可能有三個特征，一是來自實驗探索而非理論預言；二是來自于兩種以上量子物性的耦合；三是來自先進量子譜學技術。”他表示。

相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07798-y