信息来源：物理学院网站 发布日期：2026-06-04

近日，中国人民大学物理学院季威教授研究组与国内外多个实验团队合作，在“笼目超导体中的阻挫磁性和超导竞争机制”、“内嵌笼状富勒烯构筑多稳态器件预测与调控”、以及“超薄有机单晶中的本征金属型能带输运”等低维材料创制和物性调控研究中取得重要系列进展。相关成果分别发表在2026年5月15日、5月13日和1月20日出版的《自然·物理》（Nature Physics）、《自然·材料》（Nature Materials）和《自然·电子学》（Nature Electronics）等期刊上。这些研究工作得到了国家自然科学基金“面向未来技术的表界面科学基础”重大研究计划、NSFC-RGC合作研究重点项目、国家重点研发计划、北京市高层次创新创业人才支持计划以及中国人民大学等的资助。

成果一：笼目超导体中的各向异性近藤共振与超导协同增强

研究背景和科学挑战：磁性与超导的关系是凝聚态物理的核心议题，也是最吸引人的几个问题之一。在常规超导体中，磁有序通常会破坏超导配对；而在非常规超导体中，磁涨落却可能成为电子配对的媒介。而在原子尺度上，磁性（尤其是阻挫的磁性）和超导之间又有着何种羁绊呢？为了探索这个问题的答案，季威教授研究组与中国科学院物理研究所高鸿钧院士等研究组开展深度合作，组成联合团队，力图在CsV3Sb5 (图1a)这种当前备受关注的一类笼目超导材料中寻找问题的答案，其超导电性表现出V型超导能隙和多带特征，并对外界扰动高度敏感性。如向该体系中引入磁性原子掺杂，其具有几何阻挫的笼目晶格将如何影响局域磁矩及其屏蔽，这些局域磁矩又对超导有何影响？此前，由于材料合成和表征的困难，人们尚未能寻找到合适的材料体系，以探索这些领域关心的核心问题。

创新思维和研究进展：针对该问题，联合团队选取元素周期表中与V原子性质最为接近的Cr原子进行掺杂，并成功获得了具有不同比例且单分散的Cr掺杂CsV3Sb5材料。随后的超低温强磁场扫描隧道显微镜/谱（STM/STS）观测发现了Cr掺杂位置附近显著的近藤电子态的共振信号（一种局域磁矩与传导电子耦合形成的量子多体态）(图1b)。此前观测到的近藤共振态波函数多为空间各向同性分布，而该体系中的近藤共振态却呈现出仅沿着单一晶格取向的涟漪状条纹，表现出极强的各向异性(图1c)。

图1 a，CsV3-xCrxSb5的晶体结构示意图。b，在远离Cr（黑色）和Cr上方（绿色）采集的dI/dV谱，显示Cr上存在显著的近藤共振峰。c，5 meV偏压下的局域态密度（LDOS）图，展示了Cr周围空间各向异性的涟漪状图案。d，笼目晶格中最近邻反铁磁耦合的双三角单元自旋阻挫示意图。e，能量最低磁构型中Cr及其四个相邻V原子的自旋密度等值面图。f，在Cr附近实验dI/dV成像图，叠加了e图中磁构型对应的理论表面自旋密度分布。g，近藤共振峰半高半宽（上）和超导能隙大小Δ（下）随Cr浓度x的演化。

季威研究组的理论计算揭示了这一独特各向异性的微观起源：Cr原子通过磁近邻效应与周围V原子产生反铁磁交换，笼目晶格固有的几何阻挫结构(图1d)使系统选择了一种低对称性的磁基态：掺在Cr原子与四个近邻V原子的Cr-V交换中，一个为铁磁耦合，其余三个则为反铁磁耦合(图1e)。这一局域磁交换导致了线状分布的自旋密度，在空间上形成准一维的涟漪图案(图1f)。低温下，该线状自旋密度被巡游电子屏蔽，诱导出各向异性的近藤共振。

此外，团队还发现母体CsV₃Sb₅费米面附近存在一部分未参与超导配对的电子，却参与了近藤屏蔽，进一步提高了费米能级附近的态密度，又使其借助提高的态密度间接参与到超导凝聚中，在完成磁矩屏蔽的同时有效提高了超流体密度，从而实现了近藤效应与超导态的协同增强(图1g)。

论文发表和研究团队：该成果于2026年5月15日以"Spatially anisotropic Kondo resonance coupled with the superconducting gap in a kagome metal"为题，发表在《自然-物理》（Nature Physics）上。该成果的理论计算部分由中国人民大学完成，实验部分由合作单位完成。季威研究组张忠钦博士生、中国科学院物理所黄梓宸博士生、陈辉副研究员和张浩博士生为论文的（共同）第一作者。季威教授、高鸿钧院士和陈辉副研究员为论文的（共同）通讯作者。

文章链接： https://doi.org/10.1038/s41567-026-03292-6

成果二：从单分子驻极体到多态概率比特

研究背景和科学挑战： 固态信息处理功能单元的尺寸极限是什么——是单个的纳米结构，团簇、分子还是原子？为了尝试回答这个问题，2020年物理学院季威研究组与国内外多个实验研究组组成联合团队，发现在C82碳笼中单个Gd原子与碳笼的非共价相互作用可使该复合体系产生净电极化，并可由外加电场操控其极化方向翻转，创造了当时最小驻极体的纪录[Nat. Nanotech. 15, 1019–1024 (2020)]。近期人工智能的飞速发展对信息处理器件提出了更高要求，器件的类神经形态多态调控能力与低功耗特性成为核心需求。那么，若要超越双稳态调控而实现多态调控，器件核心功能单元的尺寸极限又是多大呢？是否依然可在内嵌笼状团簇中实现呢？

创新思维和研究进展：在2020年工作的基础上，季威研究组与合作实验团队基于Ginzburg-Landau-Devonshire极化理论和结构自发对称性破缺的思想，提出了一个自然的设想：借助对称性破缺获得多个能量相近的异构构型，是内嵌笼状单团簇极限体系实现多态调控的潜在途径。为了验证这一设想，研究团队一方面采用对称性更低的C88碳笼替换了此前的C82碳笼，另一方面还将内嵌单元从单原子替换为对称性更低的Sc2C2分子。在系统计算了Sc2C2分子在C88碳笼中的522种可能构型后，研究组从中确定了能量最低的5个构型(图2a)。这些构型之间的能量势垒在0.5至109.1 meV之间，且具有不同电极化方向，是Sc2C2内嵌分子与C88碳笼的非共价相互作用导致的天然多态性。理论计算进一步表明，外加电场可改变各构型(极化态)的相对稳定性(图2b-2c)，进而有效调控各构型(极化态)的布居分布概率(图2d)。

合作实验团队则利用反馈控制电迁移断裂结技术，在单个Sc2C2@C88团簇两端构建了纳米间隙电极(图2e)，通过实时原位电学监测，在低温下成功实现了电场对多态占据概率的调控（图2f），验证了上述理论预测结果。基于该多态分布概率，实验团队在单团簇器件中演示了素数分解（图2g）和矩阵乘法运算。该工作体现了极小尺寸（单个内嵌富勒烯分子）、多态（5态）和概率遍历三重特性，为超紧凑概率计算和信息处理提供了新颖的潜在实现方案。

图2. Sc₂C₂@C₈₈中非共价作用导致的多态势能面及其电场调控。a, Sc2C2@C88团簇的构型势能面。b, 电场对稳态间相对稳定性的调控。c, 电场对稳态间能垒的调控。d，5个稳定构型及其电极化方向。e, 电场调控下的态间概率矩阵演化。f, 反馈控制电迁移断裂（FCEBJ）制备的Sc2C2@C88晶体管。g, 器件在电场下的多态调控。h, 使用单分子器件对整数551进行分解的过程。

论文发表和研究团队：该成果于2026年5月13日以“A Sc2C2@C88-cluster-based ultra-compact multi-level probabilistic bit for matrix multiplication”为题，发表在《自然·材料》（Nature Materials）上。该成果的理论计算部分由中国人民大学完成，实验部分由合作单位完成。季威研究组博士生席郭灏，南京大学博士生齐颢然、刘欣嵘、毛逸夫和厦门大学博士生周园标为论文的共同第一作者。研究组王聪副教授、南京大学张敏昊特聘研究员、厦门大学谭元植教授和南京大学宋凤麒教授为该论文的共同通讯作者。季威教授和厦门大学谢素原院士对该工作提供了关键指导。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41563-026-02609-3

成果三：层间非共价桥联调控的有机单晶中宽温区金属型电荷输运

研究背景和科学挑战：当半导体杂质浓度超过莫特临界浓度时，杂质电子波函数产生强烈交叠，使原本孤立的杂质能级展宽并融合成连续的“杂质带”。这些能带中的载流子进而产生显著的离域化，且载流子浓度不再受温度影响；而材料整体则表现出电导率随温度降低而升高的金属型电荷输运行为。在重掺杂单晶硅等共价无机半导体中，这类输运机制已被广泛研究，并成为高性能电子器件的发展的基础。相比之下，有机半导体中分子间相互作用较弱，分子振动和结构涨落导致了显著的动态无序，易削弱载流子的离域性。因此，在有机半导体中实现宽温区、可重复的金属型电荷输运仍面临着长期挑战。

创新思维和研究进展：针对该挑战，研究团队此前在并五苯等高有序有机半导体薄膜中的研究表明，分子堆积方式对电荷输运性质具有关键影响[PRL 116, 016602 (2016)]。沿着这一思路，团队此次进一步从分子结构设计出发，选择 Ph-BTBT-C10有机半导体单晶作为研究对象，尝试通过增强分子层之间的相互作用来改善电荷输运性能。在 Ph-BTBT-C10晶体中，相邻分子层的苯基可以通过π-π相互作用形成类似“桥梁”的连接(图3a)。这个“分子桥”不仅让分子堆积更加稳固(图3b)，也为电荷在分子层之间传输提供了通道(图3c)，从而帮助材料在更宽温度范围内保持高效、稳定的金属型电荷输运。

基于上述机制，合作实验团队制备了Ph-BTBT-C10场效应晶体管。该晶体管无需掺杂，仅通过电场调控即可在室温到8 K的宽温区内保持金属型电荷输运特性：随着温度降低，电导率持续升高，并在8K下电导率达到245 S cm⁻¹，20 K下霍尔迁移率超过100 cm⟡ V⁻¹ s⁻¹(图3d)。这一电导水平超过了此前报道的有机场效应晶体管，并可与重掺杂单晶硅及高质量砷化镓等无机半导体相媲美。更有趣的是，研究团队还通过电场可控地引入缺陷，在该有机体系中观测到了少见的由无序驱动的金属-绝缘体转变（MIT）。随着外加电场接近临界值，器件电阻表现出典型的临界标度坍缩行为，显示出类似量子相变的物理特征(图3e和3f)。该研究刷新了人们对有机半导体本征金属型电荷输运极限的认知，也为开发耐极端环境的未来高性能柔性电子器件提供了物理基础和新的思路。

图3. Ph-BTBT-C10双层中的共轭苯基桥对及其物理特性a，HTH结构的Ph-BTBT-C10原子结构和层间差分电荷密度。b，Ph-BTBT-C10、Th-BTBT-C10和BTBT-C10的层间、层内结合能及范德华间隙。与传统BTBT分子相比，苯基对极大增强了层间相互作用。c，Ph-BTBT-C10分子堆积示意图，及Ph-BTBT-C10、Th-BTBT-C10和 BTBT-C10的转移积分。d，不同载流子浓度下，电导率随温度的变化。e，引入无序后不同电场下的面电阻随温度变化曲线。f，金属绝缘体相变附近的电阻随温度变化曲线。

论文发表和研究团队：该研究成果于2026年1月20日以“Metallic charge transport in conjugated molecular bilayers”为题发表在《自然·电子学》(Nature Electronics)上。该成果的理论计算部分主要在中国人民大学完成，辽宁材料实验室和北京理工大学等单位也参与了研究，实验部分由其他合作单位完成。季威研究组伍琳璐博士（原博士生，现任辽宁材料实验室助理研究员）和南京大学鲁姱姱博士、李昀教授、王启晶特聘研究员为论文的共同第一作者。南京大学李昀教授、王启晶特聘研究员、施毅院士，研究组乔婧思博士（原博士生、访问学者，现任北京理工大学教授）以及剑桥大学Henning Sirringhaus教授为该论文的共同通讯作者。

文章链接： https://doi.org/10.1038/s41928-025-01553-5

期刊介绍： 《Nature Physics》（《自然·物理》）是《自然》系列中最重要的物理学子刊之一，致力于发表纯物理与应用物理所有领域的最高质量研究成果，涵盖凝聚态物理、量子信息、光学、天体物理、生物物理等方向。2025年JCR影响因子为18.4。

《Nature Materials》（《自然·材料》）是自然出版集团创办的材料科学领域《自然》子刊，聚焦材料科学与工程，注重材料研究对物理、化学、生物学等相关学科的影响，覆盖从合成、结构到性能的基础与应用研究。2025年JCR影响因子为38.5。

《Nature Electronics》（《自然·电子学》）是自然出版集团旗下聚焦电子学领域的《自然》子刊，涵盖电子学各分支，发表基础与应用研究，并关注新技术发展及其社会影响。根据2025年JCR，其影响因子为40.9。