超导体由于具有迈斯纳效应而使磁场无法穿过。磁通涡旋（vortex）作为超导序参量的相位奇点，是超导体中的拓扑缺陷，围绕缺陷中心允许量子磁通整数倍的磁通穿透。常规的Abrikosov vortex需要在一定的磁场下才会产生。在具有较强的自旋轨道耦合作用的超导体中，理论预言了一种新奇的磁通涡旋态——量子反常磁通涡旋（quantum anomalous vortex，或QAV）。QAV在没有外加磁场的条件下可在磁杂质上自发形成，其产生机制非常类似于量子反常霍尔绝缘体(quantum anomalous Hall)，并因此而得名。铁基硫化物超导体Fe(Se,Te)具有非常强的自旋轨道耦合且处于量子区间，被认为是可能存在QAV的候选体系。但是，已有的对该材料中vortex的实验研究更多是在大磁场下的能谱测量，而QAV的直接观测则需要依靠在零场下对磁通高度灵敏的手段，因此至今尚未被发现。

王熠华课题组利用扫描超导量子干涉仪（sSQUID）在零场下对磁通的高灵敏度，对Fe(Se,Te)样品在实空间中的磁通分布进行了细致的成像。他们发现，在零磁场下降温，样品中存在着随机自发形成的vortex和antivortex，通过各自中心的磁通量都是一个。他们进一步利用nano-SQUID芯片探头上的电流环所产生的局域磁场对vortex-antivortex对进行调控，观察到了vortex-antivortex对铁磁性的回滞翻转，揭示了QAV的局域时间反演对称破缺。他们还发现整个翻转过程与Abrikosov vortex大相径庭之处：涡旋中心的磁力线会偏离样品表面的法线方向产生矢量旋转，并达到平行样品表面的‘躺平’状态（题图）。这有力体现了自旋轨道耦合和磁杂质自旋的交换相互作用是产生QAV的本质原因。

这些实验结果除了建立起QAV物态的存在，也展现了QAV的可操控性。这为进一步以更丰富的实验手段研究高磁杂质浓度下QAV间的集体关联打下了基础。另一方面，由于Fe(Se,Te)超导体具有拓扑表面态，QAV中心还可能存在马约拉纳零能模。QAV及antivortex所展现出的矢量旋转特性可能可以克服对同号的Abrikosov vortices操控的困难，实现马约拉纳零能模高效的编织和湮灭操作。

该工作近日以“Direct observation of quantum anomalous vortex in Fe(Se,Te)”为题在线发表于Physical Review X.

该工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、上海市科委等基金项目的支持。上海科技大学物质科学与技术学院郭艳峰课题组提供了高质量的样品，波士顿学院物理系汪自强教授和中科院物理所蒋坤研究员进行了计算模拟。

论文链接：

https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.13.011046

图1：零场下SQUID直接观察到FST中的QAV现象。经过升降温后，每次的磁通图像不一样，说明了QAV随机出现的特性。

图2：利用局域磁场对vortex-antivortex对进行调控。随着磁场的改变，配对随之翻转。以上的结果均证明了FST中QAV现象的存在。