文章导读
铁磁与超导能否共存？清华、南科大等团队联手实现重大突破，首次在锂插层铁硒薄膜中观测到超导温度达45K、居里温度超225K的高温超导铁磁体，创下两者共存温度的世界纪录。更惊人的是，通过电场调控，材料可在无磁超导态与超导铁磁态之间自由切换。高分辨成像证实微米尺度下的共存现象，特定磁场下超导温度还被进一步提升，暗示自旋三重态配对的可能性。这一发现或将打破传统电子器件的功耗瓶颈，推动超导与自旋电子学融合迈向实用化。
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铁磁和超导作为固体世界里的两大量子现象，不仅是前沿的基础科学研究方向，而且已经产生了磁存储、医用核磁等重要应用。磁性与超导通常是互斥的，所以将两者在同一材料结合从而形成所谓的超导铁磁体或磁性超导体具有很大挑战性。目前已知的超导铁磁材料还十分稀少，而且往往工作温度很低或者两者的相互作用较弱。近期，清华大学物理系张定、南方科技大学薛其坤等团队合作报道了一种具有高温超导电性和接近室温的巡游铁磁性的超导铁磁材料，其超导与铁磁共存温度突破了纪录。
图1.样品器件示意图以及电场调控下无磁低温超导态与高温超导铁磁态间的来回切换
图2.超导与铁磁共存的材料体系。红色菱形代表本工作中报道的高温超导铁磁体
物理系团队长期开展超导的固态离子调控研究，先后取得了超导态新奇量子振荡、磁通涡旋熵指数衰减等系列发现。在最新的工作中，研究团队与复旦大学、南京大学、中国人民大学以及中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心的研究人员合作开展了铁硒单晶薄膜的调控、表征及分析。研究团队首先通过栅极调控对铁硒（FeSe）薄膜进行了电控锂离子注入，发现该体系不仅具有超导温度为45K的高温超导电性，而且具有显著的巡游铁磁性，其居里温度超过225K。通过电场控制，团队还可以在同一材料中实现无磁低温超导态和高温超导铁磁态的来回切换。这一新型超导铁磁材料的磁电阻和霍尔电阻在库珀对凝聚过程中均展现出丰富的演化行为。扫描超导量子干涉仪的高分辨空间成像结果表明超导与铁磁在微米尺度下共存。特别的是，在施加特定磁场以极化电子自旋时，该超导铁磁材料的超导温度得到了进一步提升，表明铁磁与超导有显著的耦合，可能存在高温下的自旋三重态配对。理论计算指出，锂离子的嵌入容易诱导铁硒的基态向铁磁态演化。锂插层铁硒作为一种超导铁磁材料，具有目前世界上最高的超导与巡游铁磁性共存的温度，有望推动高温超导电子学与自旋电子学的融合，带来革命性的低功耗器件。
相关研究成果以“作为高温超导铁磁体的锂插层铁硒”（Lithium intercalated FeSe as a high-temperature superconducting ferromagnet）为题，于8月7日在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。
清华大学物理系2021级博士生胡祎、复旦大学2021级博士生梁可一和南京大学2022级博士生李婕为论文共同第一作者。南京大学物理学院教授卢毅、复旦大学物理系研究员王熠华、南方科技大学教授薛其坤和清华大学物理系副教授张定为论文通讯作者。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-62624-x
供稿：物理系
编辑：李华山
审核：郭玲
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