锂插层FeSe实现高温超导与铁磁共存：突破性量子材料研究

研究人员通过电场调控的锂插层技术，在FeSe材料中首次实现了超导性(45K)与铁磁性(>225K)的高温共存。这项研究解决了传统超导材料与铁磁材料难以兼容的科学难题，利用固态离子背栅技术精确调控锂浓度至约50%(Li0.5FeSe)，通过磁输运测量和扫描SQUID显微镜证实了两种量子态的微观共存。特别发现面内磁场(4-12T)能反常增强超导性，密度泛函理论计算揭示了中等锂浓度下铁磁不稳定性。该成果为发展高温自旋三重态超导体和新型无损耗自旋电子器件开辟了新途径。

　　

在量子材料研究领域，超导性和铁磁性就像一对"水火不容"的冤家——超导需要电子形成自旋相反的库珀对(Cooper pairs)，而铁磁则要求自旋平行排列。过去科学家仅在少数铀基超导体(如UGe₂、URhGe等)中观察到两者共存，但超导转变温度(T_sc)始终徘徊在1K左右，磁有序温度(T_m)也不足30K。虽然通过人工异质结构(如[(Li,Fe)OH]FeSe)可以勉强实现两种特性的耦合，但层间隔离严重限制了相互作用强度。如何在单一材料中实现高温超导与铁磁的协同共存，成为凝聚态物理领域亟待突破的科学难题。

清华大学的研究团队另辟蹊径，选择最简单的铁基超导体FeSe作为研究对象。通过创新的固态离子背栅技术，他们实现了锂离子的原位插层调控，成功将FeSe转变为同时具有超导(T_sc=45K)和铁磁(T_m>225K)特性的量子材料。这项突破性成果发表在《Nature Communications》上，为高温自旋三重态超导体的研究开辟了新方向。

研究团队采用多项关键技术：固态离子背栅实现锂离子的原位插层调控(260K下施加正电压)；四探针法测量磁输运特性(包括反常霍尔效应和磁阻)；扫描SQUID显微镜实现磁畴成像和超导态表征；脉冲磁场系统(最高35T)研究极端条件下的超导行为；密度泛函理论(DFT)计算不同锂浓度下的磁基态。所有实验样品均为机械剥离的FeSe薄片(14-15nm)，通过原子力显微镜精确测定厚度。

高温度超导性与铁磁性

通过优化锂插层工艺(48%浓度)，研究团队将FeSe的超导转变温度从5.2K提升至45K。磁输运测量显示，铁磁滞回现象持续到225K以上，扫描SQUID成像直接观测到超导迈斯纳态与铁磁畴的空间共存。这种均匀共存的特性明显优于层状材料[(Li,Fe)OH]FeSe。

超导对铁磁的影响

反常霍尔效应(anomalous Hall effect)在超导转变时发生符号反转，表明超导凝聚改变了载流子散射机制。有趣的是，在超导转变区(42-45K)，霍尔曲线在矫顽场附近出现峰/谷结构，暗示可能存在拓扑霍尔效应或自旋三重态配对。

面内磁场增强超导

最令人惊讶的发现是：当面内磁场达到4-12T时，超导性反而增强。这种反常效应仅在磁场严格平行于样品平面(偏差<1.5°)时出现，且需要磁场超过铁磁矫顽场(3T)。二维Ginzburg-Landau理论拟合表明，面内上临界场可远超泡利极限(Pauli limit)，暗示可能存在自旋极化库珀对。

理论计算揭示机制

DFT计算表明，在中等锂浓度(~50%)时，FeSe会自发形成铁磁基态。这种铁磁不稳定性源于Fe-3d轨道的电子关联效应，有效哈伯德U在0-2eV范围内都能保持铁磁态的能量优势。

这项研究首次在单一材料中实现了高温超导与铁磁的协同调控，其T_sc(45K)和T_m(>225K)均创下同类材料的记录。面内磁场增强超导的发现，为探索自旋三重态配对提供了新线索。从应用角度看，Li_xFeSe将高温超导电子学与自旋电子学完美结合，有望推动量子计算和超导自旋器件的发展。研究团队提出的电场调控策略，也为其他量子材料的物性设计提供了普适性方法。未来通过精确控制锂浓度分布，可能实现更丰富的拓扑超导态，为马约拉纳费米子的研究开辟新平台。