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在经典物理学中，有两种奇妙的序参量往往难以共存：一种是需要晶体结构拥有极化翻转轴的铁电性，另一种是需要零电阻的超导性。长期以来，科学家们一直在寻找能够将二者完美融合的材料——“铁电超导体”。
近日，西湖大学理学院物理系吴颉教授团队在这一前沿领域取得了重要突破。他们在非晶 LaAlO3/KTaO3(111) 界面超导中发现了可翻转的铁电序，并实现了通过铁电极化翻转对超导电性的非易失性调控。
这项研究以“Strongly coupled interface ferroelectricity and interface superconductivity in amorphous LaAlO3/KTaO3”为题发表于 Nature Communications，为理解量子材料中多种序参量的耦合机制打开了全新的大门。理学院博士生董明东、成相泊，及浙江大学物理系博士后张蒙为文章共同第一作者，西湖大学物理系教授吴颉为文章通讯作者。
论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41467-026-69641-4
物理意义的重大突破：当“铁电”遇上“超导”
传统物理直觉告诉我们，金属中的自由电子会屏蔽静电场，因此在金属中寻找铁电性几乎是不可能的。虽然“铁电金属”的概念早在1964年就被提出，但直到近年来才在极少数材料中得到证实。然而，寻找“铁电超导体”的旅途更为艰难——它要求材料在进入零电阻的超导态后，依然保持铁电极化。
1. 罕见的“共生”现象
该研究通过将非晶的LaAlO3（LAO）薄膜沉积在KTaO3（KTO）的(111)晶面上，构建了一个拥有二维电子气的异质界面。通过多种尖端表征技术的协同验证，他们在该体系中探测到了铁电序的存在。
原子尺度的直接观测：利用积分差分相位衬度扫描透射电子显微镜(iDPC-STEM)，在KTO侧的界面上直接观察到K原子相对于Ta-O晶格发生了~ 0.54 Å的显著位移，且这一偏移数值随着远离界面而迅速衰减。这是铁电信号的直接原子结构证据。
极化方向的确定：通过将电子束分别沿互相垂直的晶向入射，确认了K原子的位移沿KTO[110]方向，揭示了铁电极化的空间取向。
图1. LAO/KTO界面处的原子位移与氧空位。a. KTO晶体结构示意图；b. 具有原子分辨率的iDPC-STEM图像。虚线标示LAO与KTO之间的界面；c. 图b中黄色框内原子的放大视图。K原子与Ta原子之间的相对位移用δ表示。在LAO/KTO界面处，δ显著（~ 0.54 Å），并随着远离界面迅速趋近于零。与此同时，界面处部分氧原子明显缺失（以空心圆标示）；d和e.分别为图c中框1和框2内原子的放大视图。靠近界面与远离界面的原子结构呈现出显著差异；f. 测量得到的δ随N的变化关系，其中N为从界面开始计数的Ta-O原子层数；g. 线扫描轮廓（对应于图c中紫色虚线）显示了氧原子的位置，这些氧原子在界面附近缺失。
对称性破缺的光学表征：光学二次谐波（SHG） 测量结果显示，界面处存在明显的二阶非线性光学信号，且信号强度随入射光偏振角度的变化符合m点群的极化特征，从宏观对称性角度证实了面内铁电极化的存在。
图2. LAO/KTO界面SHG表征。a. SHG显微镜原理示意图。通过连续旋转半波片，可分别测量Ix(ϕ)和Iy(ϕ)，其中ϕ为入射光偏振方向与KTO晶体学[110]方向之间的夹角；b. 在2K条件下，入射激光波长为1064 nm，LAO/KTO(111)的反射光束中呈现出显著的SHG信号，其峰值位于532 nm波长处；c.SHG信号强度ISHG与入射激光功率P的平方成正比 （ISHG∝P2）。d.ISHG在低温下持续存在。e 和 f.分别为300 K下测得的Ix(ϕ)和Iy(ϕ)。实验数据（空心圆点）与基于 m点群推导的表达式拟合结果（实线）吻合良好。
极性的可翻转性：压电力显微镜（PFM） 测量直接展示了清晰的“蝴蝶曲线”和相位“回滞曲线”，这是铁电极化方向在外电场作用下发生可逆翻转的典型特征。
图3. 利用PFM构建的铁电畴。a.通过改变PFM针尖与LAO/KTO样品间施加的电压Vtip ，测得的压电响应振幅A与相位P。b. 原子力显微镜图像显示LAO/KTO具有平整的表面。c 和 d. 写入铁电畴后，不同区域的PFM振幅与相位图像呈现出清晰衬度，直接证明了铁电极化的可翻转性。扫描过程中，在PFM针尖上施加 ±10 V 电压以实现局域铁电畴翻转：首先在黄色虚线框内的4X4μm2 区域施加 -10 V 电压进行扫描，随后在红色虚线框内的 内部区域施加 +10 V 电压进行扫描。e 和 f，分别为图形写入后4小时内（e）及70小时后（f）采集的SHG图像。70小时后依然保持的衬度证实了LAO/KTO(111)中存在稳定且可切换的铁电序。
更重要的是，通过将温度降至1.62 K并在低功率飞秒激光下进行SHG测量也获得了高质量的SHG信号。这意味着当样品处于零电阻的超导态时，铁电信号依然存在。这直接证明了铁电性与超导性在同一温度窗口内的本征共存。
2. 打破中心反演对称的超导
铁电超导体的特殊之处在于其中心反演对称性破缺。在这种环境下，传统的s波、p波或d波配对可能发生混合，甚至催生出拓扑超导等新奇的量子态。LAO/KTO(111) 界面的发现，为探索这种非常规超导配对机制提供了理想的实验平台。
界面铁电性与超导性的强耦合机制
该研究的核心贡献在于，不仅证实了铁电序的存在，更揭示了界面铁电性与超导电性之间的强耦合关系。
1. 铁电翻转对界面电导的显著调控
实验数据显示，通过改变施加在PFM针尖上的电压实现极化方向的反转同时界面电阻改变超过1000倍（在室温下甚至超过105倍）。更重要的是，这种调控是非易失的——一旦极化方向被翻转，新的电阻状态就会稳定保持，无需持续供电。这直接证明了界面导电性与铁电极化方向深度绑定。
图4. 铁电性与超导性的强耦合。a.实验装置示意图。虚线框内的区域通过PFM针尖以可变电压进行扫描调制，随后采用标准四探针法测量其纵向电阻/霍尔电阻。通过此方法，可揭示铁电回滞与电输运之间的关联。b，在PFM振幅与相位成像图中，经写入区域（ Vtip=-17V）与原始区域的边界清晰可见，证实了铁电性已被局域调制。c 和 d. 300 K下测得的SHG信号Ix(ϕ)和Iy(ϕ)随Vtip循环的变化。Ix(ϕ)和Iy(ϕ)随Vtip的演化反映了铁电畴的翻转过程。e，300 K下LAO/KTO纵向电阻对PFM针尖写入的响应呈现清晰回滞行为。值得注意的是，电阻变化幅度巨大，回滞曲线的两个饱和态之间的电阻变化超过105倍。插图为写入后电阻 随时间衰减的变化曲线。f，不同Vtip下对应的R(T)曲线。在Vtip循环结束并施加 +50V 电压后，R(T)恢复至原始状态，证实了变化的非易失性。g. 低温下 R(T)曲线显示，随Vtip循环，超导电性经历消失与重现过程，证明了超导与铁电之间的强耦合。h. 二维电子气形成示意图：电荷从非晶LaAlO3转移至KTaO3，转移的电子被限制在势阱中。LAO侧的电子耗尽与KTO侧的电子积累共同产生了一个内建电场。i. 铁电极化的面外分量与内建电场反向平行时，提高了阻止电荷转移所需的阈值，从而导致更高的二维电子气浓度。
2. 超导电性的“开关”
通过铁电畴的写入与擦除，界面的超导态可以被按需抑制和恢复。当施加-21V电压使铁电畴翻转至相反方向后，低温下的电阻曲线表现出上翘（局域化特征），超导消失；而当施加+50V将其翻转回原状态时，零电阻现象重新出现。这是通过局域铁电场对宏观量子态进行读写控制的实现，标志着基于铁电效应的超导调控迈出了关键一步。
3. 耦合机制的物理图像
吴颉教授提出了一个清晰的物理图像来解释这种强耦合现象：
电荷转移与内建电场：LAO与KTO之间的功函数差异驱动电荷转移，在界面形成二维电子气并产生一个指向面内的内建电场。
铁电极化与内建电场的相对取向：界面铁电极化的面外分量的取向决定了体系的能量状态。在初始态，当铁电极化的面外分量与内建电场的方向反平行时，它会提高阻止电荷转移的阈值，从而获得更高的二维电子气浓度和更低的电阻。
极化翻转的连锁效应：当通过外电场将极化方向翻转为与内建电场方向平行时，二维电子气浓度降低。同时，极化的翻转会改变约束二维电子气的势阱形状，增强无序散射，并伴随界面氧空位的再分布。这三个因素协同作用，共同导致了电导率的急剧下降和超导态的抑制。
界面工程的新维度与未来展望
这项研究的价值不仅在于发现了一个新现象，更在于它为未来的量子调控和材料设计提供了全新的思路。
1. 非晶覆盖层中的有序
这项工作证明了：即使覆盖层是非晶的（排除了传统外延应变的机制），界面依然可以通过电荷转移、氧空位诱导的原子偏移产生铁电性。这极大拓宽了铁电材料和量子材料的设计思路。
2. 无限组合的可能
正如吴颉教授所述：“不同材料之间的界面可以通过无数种组合进行人工设计”。在LAO/KTO(111) 界面证实铁电超导的存在，意味着这一现象可能广泛存在于其他氧化物界面体系中，为一个全新的“界面铁电超导家族”打开了大门。
3. 量子器件的潜在应用
基于铁电记忆效应的超导非易失调控，为未来基于超导的逻辑存储器件、量子计算芯片的互联与调控提供了全新的物质载体和物理机制。
总结
吴颉教授团队通过多维度、高精度的实验证据，成功证实了：
界面铁电性的存在：源于K原子的位移，并通过SHG和PFM确认其可翻转特性。
铁电性与超导性的强耦合：铁电极化的翻转直接导致了界面电导的明显变化和超导态的开关。
清晰的耦合物理图像：提出了基于电荷转移、内建电场和势阱调控的综合机制。
极佳的调控性：实现了基于铁电记忆效应的超导非易失调控，为未来量子器件奠定基础。
这一成果不仅解决了“铁电”与“超导”能否在低维电子气体系中共存的科学问题，更开创了通过界面铁电序调控量子态的新范式。
文章信息ng, M.D., Cheng, X.B., Zhang, M. et al. Strongly coupled interface ferroelectricity and interface superconductivity in amorphous LaAlO3/KTaO3(111). Nat Commun17, 2805 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69641-4.
