竹编，是中国历史悠久的非遗手工艺技术之一。在南方竹乡，农闲时节，老人们三五成群围坐在院子里，一边聊天，一边十指翻飞，把薄薄的竹片编织成竹篮、竹匾等各种器物，其中由正六边形和三角形交替组成的六角眼，正是最常见的纹样，它有一个别称：笼目（图1）。
图1. a. 我国传统竹编工艺中常见的笼目结构；b. 量子材料中晶格的笼目结构。
然而你能想象吗？这种最常见的竹编纹样“笼目”，居然与近年来炙手可热的超导新材料有关。近期，西湖大学理学院物理系林效实验室完成了一场关于“笼目超导”的探索——
北京时间2024年5月15日23点，西湖大学林效团队与西湖大学吴从军团队、北京理工大学王秩伟团队合作，在《自然》上在线发表了题为“Superconducting diode effect and interference patterns in Kagome CsV3Sb5”的科研论文。该研究首次报道了单一超导器件、CsV3Sb5材料（铯钒锑，以下缩略为CVS）中存在的零磁场超导二极管效应和磁通量子化形成的超导干涉图案，揭示了CVS材料存在时间反演对称性破缺、超导畴，以及可能的环路超流。
换句话说，他们首次揭示了超导材料CVS此前从未被发现的一些特质，为未来笼目超导材料和超导量子电子学的研究提供了重要的实验证据和实验方向。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07431-y
为什么“平平无奇”的竹篮，会与万众瞩目的超导领域产生联系？让时间倒流到一百年前，从人类发现超导现象说起。
1911年的春天，荷兰物理学家卡末林·昂内斯发现当温度降到4.2K（-268.95℃），汞（Hg）的电阻会骤降为零，从而发现了第一个超导体并摘得了1913年的诺贝尔物理学奖。这正是我们最熟悉的超导的性质，零电阻，即当电流通过超导体时可以无损耗地传输而不消耗任何能量。到了1933年，德国物理学家瓦尔特・迈斯纳与罗伯特·奥克森菲尔德发现了超导体的另一个特点：完全抗磁性。也就是说，超导体可以完全屏蔽外部磁场，磁场无法进入超导体内部（图2）。
图2. a. 超导体的零电阻特性；b. 超导体的完全抗磁性
以上的两点特性，为所有超导体万变不离其宗最关键的“魔力”特征。由此，从核磁共振成像、可控核聚变、高速磁悬浮列车，到实验室的大型粒子加速器、极端条件测试平台，再到热门的量子计算，其中都有超导材料重要的身影。
其实回头来看，最早被发现的汞，不过是体温计中我们熟悉的水银。一个世纪后，超导家族早已“江山代有才人出”，笼目超导材料正是分支之一。
笼目超导材料，专指“结构”（即原子的排布）具有笼目的周期性，且存在超导电性的材料。这种材料晶体构型新颖独特、电子结构丰富多彩、电子序奇异有趣，拥有许多独特的物理性质，因而成为超导体领域的焦点。
林效实验室所关注的CsV3Sb5，正是一类热门的笼目超导材料，有着许多新颖的物理性质。
我们已经知道在超导体中，在满足特定温度、磁场的情况下（即低于超导转变温度TC及低于临界磁场强度HC），电流可以“无阻力”地流动。这种“好用”的电流叫做超导电流，可以被用于高效率的电力传输、高灵敏的传感及快速的逻辑器件。超导电流一般都是对称、可逆的；简单理解，想象它是一条河流，可以顺着流，也可以逆着流。
那么，超导电流有可能被人类灵活操纵吗，比如只朝着一个方向流动？这是超导领域中的一大挑战。
科学家们从生活里广泛存在的一类元件身上找到了灵感——广泛存在于手机、电脑、电视等电子设备中的元件：二极管。当二极管两端被施加正向电压时，可以有电流通过，而如果施加反向电压，电流将会被二极管阻挡在外；也就是说，二极管中存在的是单向的电流。
把二极管的原理，应用到超导体材料中，是不是就可以达成对超导电流的控制了呢？确实是这样，2020年，零偏置电压下的直流超导二极管效应在实验上首度实现。迄今，研究者们都在为了如何更好地达成这种控制而对超导体进行各式各样的调控（图3）。
图3. a. 超导体自身形成的超导二极管效应，其中的超流一般由电子两两配对形成库珀对后进行传输；b. 超导体和超导体形成约瑟夫森结实现超导二极管效应；c. 超导二极管效应中正负临界电流IC不一致的行为。（图片来源：Nature Physics 18,1145-1146 (2022).）
2022年秋天的那次组会上，林效实验室的博士后乐天，提出了一个“大胆”的猜想：CVS这种新型的超导材料，会不会具有在零磁场的条件下“天然”具备二极管“天赋”？这个想法当即得到了PI林效的肯定和支持。没有特别的理由，其实很多重要的科学发现，往往来自于科学家瞬间的直觉和判断。
乐天立即带领团队在超净间里高效率地制备了样品——它比一个婴儿的小拇指盖小一点，核心的CVS材料居中，比肉眼可见的灰尘颗粒还要小。这个样品被送到距离实验室不远的物质科学公共实验平台，进入无液氦综合物性测量系统和无液氦稀释制冷机，研究团队需要对这个样品综合物理性质进行测量，主要看超导体的电阻随着电流、磁场和温度的不同会发生怎样的变化。
这两台机器都有着圆柱外观和中空的结构，其中装配着大型“磁铁”用于施加磁场，像是医院里立起来的“核磁共振仪”，后者还用钢架结构悬挂于半空中，它们能模拟极端低温环境——自然界能达到的最低温度是零下273.15摄氏度，而它们分别能将样品降至2K（比零下273.15摄氏度高1.8度）及40mK（比零下273.15摄氏度高0.04度）。一个月后，实验结果出炉：果然，零磁场环境中，CVS自身产生了超导二极管效应！
图4. 林效团队第一次测到的CVS中超导二极管效应
但仅仅靠这一组数据还不够。科学研究的过程，就是一步步“去伪存真”。会不会是其他的变量、而不是材料自己的特性，引发了零磁场超导二极管效应？比如说环境磁场的存在。
研究团队再次回到实验室，严谨排除测量系统剩余磁场及地球磁场对CVS材料的影响：将低温系统中的超导磁体升到室温后重新降温；安装超导屏蔽罩，即在测量杆上包裹一圈泛着光泽的灰色铌金属（铌也是一种超导体）制成的罩子，尽可能彻底屏蔽外部磁场；用高精度磁通门磁强计伸到圆柱形低温装置内部测量剩余磁场，并通过“大磁铁”施加补偿磁场用来抵消剩余磁场……通过这一系列的复杂方法，他们将系统剩余磁场由16054nT降至4nT（nT，即纳特斯拉）。在西湖大学云谷校区位置附近，地球环境的磁场可以近似认为为4000-5000nT，这个数值通过手机的指南针功能就能测量出来。显然4nT的量级已经远远小于地球磁场，可以近似认为是零磁场（图5）。
自此，林效团队终于可以确认实验观测到的零磁场超导二极管效应的真实性，从一定程度证明了CVS在超导态的时间反演对称性破缺。
图5. a. 旋转杆上包裹的超导屏蔽罩；b. 标定的系统剩余磁场和矫正后的系统剩余磁场；c. CVS超导量子器件；d. 观测到的零磁场超导二极管效应。
从天马行空的猜想到实锤落地，此时仅仅过去了两个多月。本以为大戏帷幕已落下，未曾料想到，还有更多惊喜在前方等待。
在验证完零磁场超导二极管之后，研究团队注意到当时的测量数据噪声有点大得不太寻常——就像在听收音机或者打电话时，突然有一些干扰，导致出现“嘶嘶嘶”的噪声。本着精益求精的想法，他们对测量系统周围所有的仪器进行了检测，最终确认了噪声来源于实验中驱动“大磁铁”产生磁场的磁体电源。于是，他们改用实验室其它更高精度的电流源进行替换，随后，他们如先前一样“听到”了超导二极管的美妙乐章，但更令人惊奇的是，他们竟然意外观看到了一场曼妙舞蹈——超导临界电流随磁场变化的周期性振荡图案！当林效看到第一张图案时，被深深地震撼了（图6）。
图6. CVS超导量子器件中的超导干涉图案
这张图案意味着什么？
1801年，英国医生、科学家托马斯·杨在实验室中观察到了光的双缝干涉现象。概述来说，当一束单色光通过两个狭缝，光波将会形成亮度和暗度交替的带状图案。
超导界也有自己的“干涉现象”。用超导材料围成一个环，在它的外部施加不断增加的磁场时，环中心的磁通量（可理解为磁场的“强度”）并不会持续增强，而是以磁通量子Φ0（Φ0=2.06783375810-15Wb，Wb是磁通量单位）的整数倍离散性增加（比如2倍、3倍、4倍）；这种现象叫作磁通量子化。由此，这个超导环的超导转变温度TC和临界电流IC也呈现周期性变化，从而表现出一种超导干涉图案，正类似于光的双缝干涉现象（图7）。
图7. a. 超导环中的磁通量子化现象在超导转变温度TC和超导临界电流IC上表现出的超导干涉图案；b. 光的双缝干涉现象。
这次林效实验室观测到的周期性振荡的“电流之舞”，像极了磁通量子化现象。而团队的激动在于，该现象存在的惯常前提，是超导材料身上有个“洞”——而这次的材料中间，没有“洞”。同时，该现象也很少在单一的超导材料中被观测到。
科学实验中遇见的问号，往往代表着激动人心的新知即将到来；显然，CVS的特殊表现，指向了它未曾露面的另一种性质。林效团队推测，这只可能来自超导体内部的磁通量子化，表明CVS内部可能还存在着超流形成的环路（材料内部有一个环形的“电流”）。他们根据超导器件的振荡周期，估算出环路面积小于CVS样品的尺寸，进一步证实了猜想——环路超流确实存在于材料内部。此外，通过分析超导干涉图案，林效团队还发现其对称中心偏离零磁场，由于已经排除了剩余磁场的影响，再次表明CVS超导态存在时间反演对称性破缺。
乘胜追击，林效团队推测零磁场的超导二极管效应和超导干涉图案很有可能与超导畴的不均匀分布有关。他们采取了另外一个简单而又巧妙的方法——热循环调控。通过对CVS器件反复升降温测量，林效团队发现零磁场超导二极管的极性以及超导干涉图案会发生改变，从而充分证实了超导畴的设想（图8）。
图8. CVS超导畴和环路超流模型。
与此同时，在初步获得超导二极管实验证据后，林效团队立即与西湖大学理论物理讲席教授吴从军团队达成合作，吴从军团队开始构建CVS中涉及超导二极管的理论模型。在超导二极管方向，吴从军正是早期的理论探索者之一。吴从军团队基于已有的实验结果迅速构建了超导畴中形成超导环路的理论模型，给出的理论计算与实验结果定性上符合，初步提供了理论的图像。
这是林效实验室取得的关于CVS的第一项成果。此时，距离这个团队关注并加入人类对这类神秘超导材料的探索之旅，仅仅两年。
此前的十数年，自获得浙江大学凝聚态物理博士学位后，无论是行至法国巴黎高科工业物理化学学院进行博士后工作，还是得到德国洪堡基金会资助在科隆大学从事研究，林效的兴趣一直围绕着超导材料的物理机理展开。
其实林效瞄准的材料不止于超导材料——长久以来，他一直关心着一个问题：“我们想知道是否存在一种材料体系，既能导电，也能存在铁电性？”用严谨的科学表述，就是特别能“导电”的超导态，和几乎不导电的绝缘体中的铁电性质，会不会能在同一种物质上实现？
这位PI的兴趣点，其实也早已书写在了实验室名字中：极端条件量子输运实验室。输运测量，指的是探索物质的电学性质，也就是探究在纳米尺度上，电是怎么“动”的。
当然，最终实现林效心愿的材料，未必是现在风头无两的CVS，但不积跬步，无以至千里。本次的成果对研究笼目超导体系的超导配对对称性、非常规超导态以及其它超导机理有着重要的意义；同时，综合超导二极管和超导干涉图案测量的手段，可以为探索研究新型时间反演破缺的手性超导体提供新方法，也为超导量子器件的研发提供了重要的思路。
西湖大学理学院博士后乐天和博士后潘志明为本论文的共同第一作者；西湖大学理学院特聘研究员林效、理论物理讲席教授吴从军，北京理工大学物理学院特别研究员王秩伟为本论文的共同通讯作者。这项研究成果主要在西湖大学林效实验室和西湖大学物质科学公共实验平台完成，物质科学公共实验平台提供了极大的帮助。相关研究得到了浙江省自然科学基金杰出青年项目、自然科学基金面上项目、新基石基金的资助，中国博士后科学基金面上资助和特别资助，以及西湖大学未来产业研究中心专项计划的支持。
极端条件量子输运实验室
林效实验室关注量子材料的新奇物理现象，主要研究内容包括极端条件下材料的量子输运特性；二维量子器件栅压调控，应变调控；铁电及极化金属器件的物性表征及光学二次谐波测量；超导二极管效应；超导量子干涉现象等。
课题组长期招收博士生及博士后，欢迎具有物理、材料、微电子等相关背景的学生联系我们！有意申请者请将申请材料发送至linxiao@westlake.edu.cn，或关注我们的网站https://xiaolin.lab.westlake.edu.cn/
