近日，上海交通大学李政道研究所丁洪院士领衔的联合研究团队在超导量子拓扑领域取得重大原创性突破，相关研究成果以长文（Research Article）形式正式发表于国际顶级期刊《Science》，论文题为《Observation of quantum vortex core fractionalization and skyrmion formation in a superconductor》。上海交通大学李政道研究所与物理与天文学院为第一通讯单位，研究成果首次在原子尺度实空间直接证实超导涡旋核分数化现象与手性超导斯格明子的形成机制，刷新了人们对传统超导磁通量子行为的认知。
该研究由上海交大丁洪院士团队主导，博士生郑渝、博士后胡全欣为论文共同第一作者，胡全欣、吕佰晴副教授、严智明副教授、丁洪院士为共同通讯作者。国内外多所高校与科研院所学者协同参与攻关，研究全程获得国家科技部量子科技重大专项、国家自然科学基金、腾讯新基石科学基金会、上海市科委等多项国家级、省部级项目资助，同时依托怀柔综合极端条件实验装置完成关键实验测试。
颠覆经典认知：破解超导分数涡旋“理论可行、实验难证”的百年难题
磁通涡旋是第二类超导体的核心物理特征，也是超导量子器件、磁通操控技术的核心基础。自1957年Abrikosov奠定超导涡旋理论、1961年杨振宁等人完善磁通量子化理论以来，学术界形成共识：传统单分量超导体中，磁场仅能以整数磁通量子涡旋形式稳定存在，单个涡旋必然携带完整量子磁通。
2002年，学界理论预测多带超导体可产生携带部分磁通的分数磁通涡旋，这类特殊拓扑结构是凝聚态物理的前沿研究热点，更是实现分数统计、拓扑量子计算的关键载体。但长期以来，分数涡旋受带间约瑟夫森耦合约束，如同物理学中的“夸克禁闭”现象，只能束缚为完整复合涡旋，无法实现空间分离与直接观测，成为困扰业界二十余年的核心科学瓶颈。
核心创新发现：温度可控的涡旋劈裂与新型拓扑缺陷
针对这一难题，研究团队另辟蹊径，聚焦122型铁基超导体KFe₂As₂体系，突破传统实验局限。团队率先发掘该材料体系中原子级平整的1×1钾解理面，利用表面电荷转移掺杂效应，实现表面超导电性增强与时间反演对称性破缺，为分数涡旋的稳定生成、自由劈裂创造了专属物理条件，解决了过往实验表面无序、信号干扰、无法高分辨成像的痛点。
通过超高精度扫描隧道显微镜系统表征与第一性原理计算佐证，团队取得多项突破性实验发现：
1. 可逆温度调控涡旋劈裂：首次观测到超导涡旋的动态重构行为，低温下保持完整整数涡旋形态，升温后可可逆劈裂为双核心、三核心分数涡旋，降温后重新合并，证实多分量超导结构的可重构特性；
2. 原子尺度谱学直接证据：精准区分整数涡旋与分数涡旋的本质差异，分数涡旋呈现“弱束缚态、强相干峰”的独特谱学特征，直接验证“部分超导序参量分量消失”的涡旋核分数化物理图像；
3. 发现全新手性超导斯格明子：证实分数涡旋并非随机分布，而是自发排列成链状结构，该结构具备非平庸拓扑特性，是一类由CP²拓扑不变量刻画的新型手性超导斯格明子，属于全新拓扑缺陷体系。
重大学术价值与产业应用前景
本次研究彻底打破了传统超导涡旋的经典理论框架，将分数磁通涡旋研究从长期的理论推演、间接观测，推进到原子尺度实空间可视化、精准谱学表征的全新阶段，是多带非常规超导领域的里程碑式成果。
在基础物理层面，该成果搭建了全新的实验平台，可用于模拟凝聚态体系中的分数化激发、类夸克禁闭、拓扑缺陷演化等前沿物理现象，为量子拓扑理论、多分量超导机理研究提供了核心实验支撑。
在技术应用层面，分数涡旋与新型斯格明子的可控生成、精准调控，为拓扑量子计算、容错量子比特研发、超导量子器件、自旋电子学等前沿领域开辟了全新技术路径，对下一代高稳定性量子器件、低损耗超导电子器件的研发具有重要指导意义。
科研小结
此次登顶《Science》的原创成果，是团队深耕超导量子拓扑物理、持续攻关基础前沿领域的重要突破，充分彰显了我国在凝聚态物理、超导量子材料领域的顶尖科研实力。未来，团队将持续聚焦非常规超导拓扑缺陷的调控机制，深化分数量子态的应用研究，推动基础科研成果向量子科技、超导器件等前沿产业落地转化。
