颠覆传统认知！这篇Nature，做到极致！

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

编辑丨风云

研究背景

铁基超导体（FeSCs）具有复杂的多能带电子结构和强反铁磁关联。在铁硫族化合物中，FeSe是著名的超导体，而与其结构相同的FeTe长期以来被认为是一种典型的反铁磁金属，不具备超导性。

关键问题

目前，FeTe本征物理基态的研究主要存在以下问题：

1、间隙铁原子掩盖本征基态

由于FeTe单晶在生长过程中极易吸纳过量的间隙铁原子，这些缺陷会破坏理想的1:1化学计量比并稳定双共线反铁磁序，从而在实验中掩盖了材料可能存在的本征超导态。

2、化学计量比控制的实验难题

传统的化学取代或应力诱导方法虽然能产生超导，但会引入化学无序或外部掺杂，使得研究者难以剥离出FeTe最纯净、最本质的物理性质，阻碍了对铁基超导机制的深入理解。

新思路

有鉴于此，宾夕法尼亚州立大学Cui-Zu Chang等人使用分子束外延（MBE）生长FeTe薄膜，并在生长后在碲（Te）通量下进行退火。通过自旋极化扫描隧道显微镜和光谱（STM/S），证明了原始生长的FeTe薄膜中的反铁磁序是由破坏理想1:1化学计量比的间隙Fe原子诱导的。值得注意的是，通过碲退火去除这些间隙Fe原子可以产生化学计量比的FeTe薄膜，这些薄膜不显示反铁磁序，反而表现出稳健的超导性，转变温度约为13.5 K。这种超导态通过库珀对隧穿、零电阻和迈斯纳效应的观测得到了进一步证实。因此，该结果证明了化学计量比的FeTe本质上是一个超导体，推翻了长期以来认为它是反铁磁金属的观点。这项工作阐明了基于FeTe的异质结构中超导性的起源，并证明了化学计量比控制在理解铁基超导体中反铁磁性与超导性竞争方面的重要性。

技术方案：

1、利用分子束外延技术精确生长FeTe薄膜

研究人员通过碲通量退火工艺消除FeTe薄膜中间隙铁原子，使双条纹反铁磁序消失，证实间隙铁原子是反铁磁性的"稳定剂"。

2、建立了缺陷与磁性之间定量的因果关系

研究人员追踪退火循环，发现间隙铁原子严格分布于反铁磁区域，纯净区域无磁序，证实反铁磁性由无序缺陷稳定，纯净极限时让位于超导态。

3、研究了化学计量比薄膜的电子学特性

研究人员在化学计量比FeTe薄膜中观测到8.8 meV超导能隙、阿布里科索夫涡旋阵列及约瑟夫森隧穿，完整证据链证实其为本征超导体。

4、进行了电学输运测量和磁力显微镜表征

研究人员绘制Fe_1+xTe物理相图，揭示极低含铁量为超导体、高含量为反铁磁金属，理论计算证实间隙铁原子抑制库珀对配对，终结了长期争议。

技术优势：

1、提出了突破性的计量比控制策略

研究团队利用MBE生长结合碲通量退火技术，成功移除了FeTe薄膜中破坏计量比的间隙铁原子，首次制备出真正1:1比例的高质量薄膜。

2、颠覆了传统物理认知

实验证明纯净的FeTe本质上是超导体而非反铁磁金属，这一发现从根本上重画了铁硫族化合物的相图，为铁基超导机制提供了全新的实验平台。

技术细节

化学计量比FeTe中反铁磁性的缺失

研究人员首先利用分子束外延（MBE）技术在SrTiO3基底上精确生长FeTe薄膜。实验发现，原始生长的FeTe薄膜在低温下展现出明显的双共线反铁磁（AFM）序。通过自旋极化STM观测，薄膜表面呈现出清晰的“双条纹”图案，这是反铁磁序的典型微观标志。然而，同步进行的原子分辨成像显示，这些薄膜中存在高密度的间隙铁原子（x≈0.060），这些原子占据了碲层间的空隙。随后，研究团队引入了创新的碲通量退火工艺：在碲蒸气气氛下加热薄膜，促使环境中的碲原子与薄膜内部的间隙铁原子反应，在表面原位生成新的FeTe层。经过五个循环的退火处理，STM图像证实原有的双条纹磁序完全消失。重要的是，XRD衍射峰的位置在退火前后保持完全一致，这意味着磁性的消失并非源于晶体结构的宏观改变，而是微观化学计量比回归理想状态的直接结果。这初步揭示了间隙铁原子才是反铁磁性的真正“稳定剂”。

图  分子束外延生长的FeTe薄膜在Te退火前后的研究

反铁磁序与间隙铁原子的内在关联

为了建立缺陷与磁性之间定量的因果关系，研究者详细追踪了每一轮退火循环后薄膜的演变。观测发现，随着间隙铁原子浓度的下降，反铁磁区域在空间上不断萎缩，最终被仅显示结构晶格且无磁性的新相取代。通过将低偏压下的磁序分布图与高偏压下的缺陷分布图重叠，研究人员获得了一个惊人的发现：间隙铁原子被严格限制在仍然保持反铁磁序的区域内，而任何已经达到1:1化学计量比的纯净区域则均未表现出磁序。横截面透射电镜（ADF-STEM）进一步验证了这一微观过程，清晰展示了退火后碲层间多余铁原子的物理移除。这一系列证据确凿地证明了，长期以来在FeTe中观测到的反铁磁性其实是由无序（缺陷）稳定的亚稳相，而非材料的本征物理属性。当材料达到纯净极限时，反铁磁性会自发让位于超导态，这为理解关联电子系统中的相竞争提供了深刻的物理图像。

图  FeTe薄膜的Te退火处理

本征超导性的微观证实

在确认磁性消失后，研究重点转向了化学计量比薄膜的电子学特性。STM/S光谱在费米能级附近探测到了一个约8.8 meV的清晰超导能隙，该能隙随着温度升高而减小，并在约13.5 K时完全闭合，标志着超导态的消失。在施加8 T的外部磁场后，研究人员成功观测到了整齐排列的六角阿布里科索夫涡旋阵列，这是II类超导体的核心判据。更为关键的是，研究团队利用超导铌（Nb）针尖进行了约瑟夫森隧穿实验。在针尖与样品极近的距离下，电导谱中出现了强烈的零偏压峰，这直接对应于相位相关的库珀对相干隧穿。这种在微观尺度上同时观测到能隙、磁通涡旋和库珀对隧穿的完整证据链，无可辩驳地证明了化学计量比的FeTe是一个本征超导体。实验测得的转变温度虽然低于FeSe/STO的界面增强超导，但在单一组分的铁硫族化物中具有极高的研究价值，因为它代表了该材料体系最简约、最本质的状态。

图  化学计量比FeTe薄膜的超导电性

宏观验证、相图构建与理论解释

为了将微观发现推广到宏观尺度，研究人员进行了电学输运测量和磁力显微镜（MFM）表征。输运数据显示，化学计量比薄膜在12 K左右进入零电阻状态，且转变过程非常陡峭，证明了样品的均匀性。MFM测量则在11.8 K以下探测到了明显的迈斯纳效应信号，即超导电流产生的反磁力导致悬臂频率发生显著偏移。基于这些不同含铁量下的实验数据，研究者成功绘制了Fe_1+xTe的物理相图：材料在极低含铁量（x≤0.012）时为稳健超导体，在中等含量时两相共存，在高含量（x≥0.022）时则转变为反铁磁金属。理论计算采用tight-binding模型模拟了Fe d轨道的行为，结果表明间隙铁原子不仅通过局部化学势偏移改变电子结构，更作为磁性杂质强烈抑制了库珀对的配对强度，同时通过自旋关联稳定了磁序。这一结合实验与理论的综合研究彻底终结了关于FeTe基态的长期争议，揭示了看似简单的化学计量比偏差如何从根本上改写关联材料的物理景观。

图  化学计量比FeTe薄膜的零电阻态和迈斯纳效应

五、展望

本研究通过精湛的MBE生长与退火控制，首次证明了纯净的化学计量比FeTe本质上是超导转变温度约为13.5 K的非常规超导体，而非前人认为的反铁磁金属。实验揭示了间隙铁原子在稳定磁性、抑制超导中的关键作用，构建了完整的Fe_1+xTe演变相图。这一成果不仅澄清了多种铁硫族异质结构超导性的起源，更强调了对材料化学纯净度的极致追求是探索复杂量子材料本征关联效应的先决条件。

参考文献：

Yan, ZJ., Wang, Z., Xia, B. et al. Stoichiometric FeTe is a superconductor. Nature (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10321-0

原位TEM、原位EPR、原位CT

FIB-SEM、fs/ns-TAS、TOF-SIMS

加急测试

李老师

158 2732 3927

www.micetech.cn

---

米测MeLab

原位表征技术服务平台

米测MeLab是国内领先的原位表征技术服务平台，为全球客户提供高端研发测试整体解决方案服务。米测MeLab基于专业的原位表征技术积累、专家顾问和仪器资源，服务全球1000多个高校院所、企业和医院的科研创新。服务客户包括中国科学院、清华大学、北京大学、复旦大学、厦门大学、浙江大学、中国科学技术大学、ETH Zürich（瑞士）、KAUST（沙特）、National University of Singapore（新加坡）、University of Calgary（加拿大），以及华为、人福医药、长信化学、南都电源等。