“文章被接收不足让我们感到兴奋。感到兴奋的是，这项研究让我们学习到了未知的部分，弥补了自己知识的空白。”在接受《中国科学报》记者采访时，南方科技大学副教授殷嘉鑫如是说。
近日，一项由殷嘉鑫团队带领的国际团队完成的研究成果登上《自然》。他们在南科大量子奇点与演生物质实验室中观测到了手性笼目超导振荡现象，并将电子谱学空间能量分辨率提升至1微电子伏特。
这一高精度分辨率一举刷新了由美国国家科学院院士、康奈尔大学教授Seamus Davis团队在2023年创造的10微电子福特量级的世界纪录。
与很多课题组不同，殷嘉鑫带领团队有一个特点，那就是从不开组会，而是把实验技艺做到极致。“我们的工作模式更像是‘工匠’，实验技巧十分关键，因此我倾向于亲自指导学生，进行一对一的交流。”殷嘉鑫介绍。
为研究搭好“金刚钻”
100多年前，科学家们发现了超导现象。学界认为，超导与磁性是两种互斥的量子态，水火不容。此前，有科学家提出了磁性超导的可能性，在笼目晶格的材料下，超导和磁性都发生了某种奇特的扭曲，从而有了兼容对方存在的可能性。
所谓笼目，指的是竹笼格子的星状图形。2020年，还在普林斯顿大学担任研究员的殷嘉鑫所在的团队率先在《自然—材料》期刊中提出了“笼目超导体”的概念，快速成为了物理学研究的热门关键词。
然而，没有金刚钻，做不好瓷器活。想要在笼目结构的材料中观察到其存在的超导态并非易事，需要创造极端的物理条件来实现对这种量子物态的观测。
“这对实验条件要求极高。即使是我所在的普林斯顿大学的实验室，也没有先进的实验条件能够观测到这种现象。”殷嘉鑫介绍，庆幸的是，在他2022年回国后，南科大的量子奇点与演生物质实验室在校长团队和物理系的大力支持下顺利建设完成，满足了他的研究所需要的实验条件。
用于观测笼目晶格超导态的极低温超高能量分辨率的扫描隧道显微镜系统 刁雯蕙摄
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殷嘉鑫介绍，搭建这个“金刚钻”主要分为几个步骤：“首先，需要建设一个特殊的实验室空间，在实验室里挖一个深达4米、宽4米的巨坑，并填充减震沙子；然后，放置二三十吨的水泥块进一步钝化外界震动；接下来，用金属将整个屋子包裹起来，以屏蔽电磁信号。”殷嘉鑫介绍，在这个特殊的实验室空间里，搭建所需要的实验仪器和所需要的真空腔体、制冷系统和显微镜部件，以达到研究所需要的极限条件。
在南科大量子奇点与演生物质实验室里，殷嘉鑫进一步带领团队搭建了极低温超高能量分辨率的扫描隧道显微镜系统，采用潘氏马达技术路线，开展超低温的笼目超导态的高分辨测量和研究。
“在钢丝上行走”
在这项研究中，殷嘉鑫团队在笼目超导体KV3Sb5和CsV3Sb5中发现手性超导能隙振荡，周期为2×2。超导能隙振荡的手性可以被施加的外磁场调控成顺时针或逆时针旋转。此外，团队还利用超导针尖构建约瑟夫森隧道结，探测到配对电子密度为2×2的手性振荡。
审稿人在评价中指出，研究团队所做的实验难度很高，所展示的空间能量分辨率是目前最好的。在科学层面，该工作解释了笼目超导体中的微小磁性，以及超导与磁性在笼目晶格中的对立与统一。
“这是一种追求极致的技术。就好比在刮风下雨的环境下，在百层高的摩天大楼上进行钢丝表演。”殷嘉鑫说道，这项研究最难的地方，便是创造一种极端的物理环境对笼目晶格材料进行观测，需要同时满足三种条件：
一是运用一种非常尖锐的针尖来探测超导电子的量子态，这个针尖只有一个原子大小，可以达到原子级的空间分辨率；二是创造一种极低温的环境，测量温度比宇宙空间中的温度（3开尔文）还要低两个量级；三是设计一套屏蔽系统和测量方法，形成一种噪音水平很低的观测环境。
殷嘉鑫 受访者供图
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为了验证研究结论，殷嘉鑫团队进行了多次重复论证，他们运用三种不同的笼目结构的姊妹材料，通过普通针尖和超导针尖两种方式进行论证，最终成功地在所有笼目结构材料中重复出现了相同的现象。
“物理学家是保守的革命者，学术上的衔接是很重要的。当我们看见了前人没有看见的现象后，新结论是否与前人的研究形成衔接。这是我们一直在思考的问题。”殷嘉鑫介绍，对此，当他重读了理论物理学家、中国科学院院士于渌在1964年发表的研究，发现团队所观测到的现象与于渌提出的研究结论形成了对立统一的关系。相关的评论文章于上个月在《物理学报》上发表。
用挑剔的眼光做科研
“我本身是一个比较挑剔的人，这种性格也体现在科研上。我首先会批判自己的研究，也忍不住会批判别人。但这样容易得罪人，所以我不爱出去开会。”殷嘉鑫笑着说。
他回忆道，有一次在实验室里，一位研究生采集的数据包含了大量的噪音，但学生坚持采集此类数据，并认为这个数据能够验证他的实验发现。殷嘉鑫随即指出，这样的数据在说服力上显得薄弱，因为外界很可能会对噪音中信号的真实性提出质疑。随后，他们共同优化了测量策略，提升了采样率，排除了屏蔽室内的噪音源，最终成功地提高了数据的信噪比。
殷嘉鑫（左三）与研究团队 受访者供图
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正是这种科研工作中严谨的态度，让这项研究的投稿过程十分顺利。自2023年12月底，研究团队开始向Nature投稿，短短半年的时间，便被接收。“在投稿前，我会先让团队内部进行自查自纠，不断凝练和验证实验结果，确保数据的严谨性和充分性。这是我们投稿后比较顺利的一个原因。”
殷嘉鑫看来，科研是探索未知，也是一个学习的过程，要以不断学习的心态，力争每天都有进步。未来，研究团队也将进一步在笼目晶格中探索不同于超导与量子霍尔效应的第三类宏观量子态。“基于前期的研究，我们认为第三类宏观量子态可能有三个特征，一是来自实验探索而非理论预言；二是来自于两种以上量子物性的耦合；三是来自先进量子谱学技术。”他表示。
相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07798-y
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