超导体最重要的性质之一是可以无电阻的传导电流。然而对于实用超导材料（一般为第二类超导体），外电流会驱动磁通涡旋（vortex）运动而产生电阻。所幸的是人们发现超导体的缺陷可以阻止磁通运动，即磁通钉扎效应（Vortex Pinning，图a,b）。磁通钉扎是超导体临界电流的实际决定因素，它使得超导的强电应用，比如超导磁体、超导输电等成为可能。高温超导磁悬浮现象也正是磁通钉扎的宏观体现。因此提高钉扎强度一直是实用超导材料研究的核心问题。但缺陷为什么可以钉扎磁通呢？长期以来人们对此只有唯象层面的理解（认为缺陷导致的非超导区域产生了钉扎），而其底层的物理机制并不清楚。

在本研究中，我们与中国科学技术大学与南京大学、中科院物理所等课题组合作，结合极低温扫描隧道显微镜（STM）、输运测量和模型计算对磁通钉扎的微观机理进行了深入研究。高能量分辨STM是研究超导体磁通和缺陷电子态的直接手段。张童、封东来团队通过优化稀释制冷STM达到了50μeV高分辨率，对(Li,Fe)OHFeSe和单层FeSe超导体磁通和杂质态进行过系统研究[1-4]。他们观测到FeSe层点缺陷可对单磁通形成有效钉扎，这是磁通钉扎的最基本形式（元钉扎）。高分辨隧道谱显示缺陷和磁通态相互作用使低能的磁通态远离费米能级（图c,d），这降低了磁通消耗的凝聚能，是产生钉扎的直接原因。他们进一步通过对比测量钉扎/非钉扎磁通的局域态密度，首次定量得到了元钉扎能，这是决定钉扎强度的关键参数。他们还通过改变外磁场来微调钉扎磁通的位置，计算钉扎能的空间变化导出了微观钉扎力（图e,f）。该微观钉扎力与样品临界电流给出的宏观钉扎力定性一致，反映微观谱学测量抓住了问题的本质。基于实验观测，王锐等提出了描述磁通钉扎的微观普适模型。模型考虑了磁通态和杂质态的耦合，显示钉扎磁通后的局域超导能隙相对于非钉扎磁通得到了增强，进而引起磁通态的能移（图g,h）。该机制可理解为杂质对磁通准粒子态的散射降低了磁通态的能量，而散射势强度是决定钉扎能的关键，这超越了非超导区域导致钉扎的唯像理解。

图：磁通钉扎的微观机理 (a) 层状超导体磁通钉扎示意图。(b)单磁通涡旋附近的磁场、能隙和束缚态分布。(c) 11T磁场下FeSe超导层磁通成像，绿色箭头指向被钉扎磁通，黄色箭头指未钉扎的“自由”磁通。(d) 钉扎和自由磁通中心的隧道谱对比。(e) 跨越钉扎磁通中心的隧道谱。(f) 钉扎磁通偏移导致钉扎能变化，可导出钉扎力。(g) 模型计算得到钉扎磁通中局域序参量增强。(h) 钉扎磁通中束缚态的移动。

本工作系统地揭示了磁通元钉扎的微观机制，指明了提高钉扎强度的关键因素，为今后进一步提高超导体临界电流、推动其实际应用奠定了基础。该工作也拓展了微观高分辨率隧道谱的应用范畴，为理解实用超导体底层物理机理开辟了新的研究模式。相关工作以“Revealing the Microscopic Mechanism of Elementary Vortex Pinning in Superconductors”为题发表于Phys. Rev. X, 14, 041039 (2024)。论文链接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.14.041039