超导性研究是凝聚态物理学领域的一个长期问题。
1911年，荷兰物理学家Heike Kamerlingh Onnes首次通过用液氦冷却汞发现了超导性，100多年后，各代科学家孜孜不倦地进行超导探索，赢得了五项诺贝尔奖和10项诺贝尔奖获得者。
新的超导材料不断被发现，每一种都可能揭示出前所未有的科学方向和可能性。例如，在20世纪80年代，发现了铜氧化物、铜氧体系、钙铜氧体系材料的超导性质，而在21世纪，科学家先后在铁基磷酸氮氧化物、二硼化镁、硫化氢、十氢化锆中发现了超导性，科学家们在寻找更好的超导材料时，不断寻找超导原理的奥秘。
近年来，超导研究的更受欢迎的方向已经出现在二维材料领域，如石墨烯。2018年，21岁的中国年轻科学家曹媛在《自然》杂志上发表了两篇关于"魔术石墨烯超导"的论文，当两层石墨烯以1.1度的偏转角堆叠时，该论文实现了1.7K的超导率。
同样在2018年，清华大学物理系副教授张鼎在二维超导领域开辟了一个"新世界"，在那里他验证了一种新型的二维超导材料：亚宁。
此外，通过深入研究，2020年3月，张定和团队提出了一种新的物理机制，以改善超导体的临界磁场，这大大拓宽了对具有相似性质的超导材料的搜索，研究结果已发表在《自然物理与科学》上。凭借这些科学贡献，张丁成功入选《麻省理工学院科技评论》"35岁以下35岁以下科技创新人才"2020中国地区榜单。
照片|张丁，2020年《麻省理工学院科技评论》35岁以下35人中国区域榜单得主
<h1>这位老师从诺贝尔奖获得者冯·克里辛（von Krysing）回到清华的家</h1>
张丁在本科期间就读于北京大学物理学院，2008年底成功申请出国留学，获得硕士和博士学位，其中之一就是德国著名的马克斯普朗克固态研究所。
幸运的是，第一次去梅普尔索普面试时，张会见了德国物理学家克劳斯·冯·克利辛（Klaus von Klitzing），两人聊得很投情达。Von Krzysznym在高强度磁场实验室中发现了量子霍尔效应，并获得了1985年诺贝尔物理学奖，他带张丁参观了他的实验室正在做的研究，后来成为他的博士生导师。
"2008年，国内能够做到那种非常强磁场或同时具有极低温度测量环境的先进实验室，其实非常罕见，在参观了实验室，了解了世界前沿的研究之后，我被深深地吸引住了，我非常热衷于尝试在诺贝尔奖获得者的团队中学习，看看诺贝尔奖获得者的实验室是如何工作的， 带着这些期望，我去了德国，在德国学习了近6年，主要是在与量子霍尔效应特别相关的研究中完成的。张鼎回忆道。
转折点发生在2013年。当年，由中国科学院院士、清华大学科研副校长薛启坤领导的团队在实验中首次发现了量子异常霍尔效应，论文在网上发表在《科学》杂志上，在圈子里受到了广泛的关注。这一年也恰逢冯·克日什津的70岁生日，当时他决定举办学术活动来庆祝他的生日，并邀请薛启坤到德国发表关于量子异常霍尔效应的学术报告。
图片|张丁在实验室（来源：受访人）
在与即将博士毕业的张淇坤的交谈中，张鼎了解到，近年来我国科技的快速发展，科研迎来了一个非常好的时期，其中清华大学已经取得了许多世界领先的科研成果。
张鼎说："当时，我是毛泽东随后自我介绍说他想加入薛先生的团队，带着血的腔体决定回家，从博士后慢慢来到清华。自2014年以来，从博士后到助理教授和副教授，仅仅六年，慢慢地完成了自己的实验室。正在做的事情的主要方向是超导性，这已经发生了变化，但使用的实验技术和技巧与Map训练期间所做的许多事情是一致的。"
<h1>"偶然"发现锶烯超导，开辟新的科研思路</h1>
关于亚锡超导性质的理论知识和制备研究实际上是许多中国科学家的工作。
自2004年以来，科学家们在二维材料石墨烯的研究方面取得了重要成就和突破，因此类石墨烯材料的挖掘成为凝聚态物理和材料科学整个领域的重点。其中，锡基二维材料"Sene"是一种有前途的新材料，被称为石墨烯的"表亲"，Sene也是以锡和石墨烯的组合命名的。
2006年至2007年间，美籍华裔物理学家、斯坦福大学教授张守轩发现，二维拓扑绝缘子支持量子自旋霍尔效应，理论上获得了能量损失小的自旋驱动电导率。
2013年，清华大学助理教授徐勇和张第一元在此基础上合作，预测了一种名为tinene的新拓扑材料。Tinene是一种在室温下可以工作的大能隙二维拓扑绝缘体，它由单个原子层的锡组成，边缘状态可以在室温下实现量子自旋霍尔效应，通过对锡的调节，还可以在室温下实现拓扑超导状态、超热效应和量子自旋霍尔效应。
与石墨烯发展初期一样，如何制备锡烯在未来几年一度是一个难题，包括清华大学、中国科技大学、上海交通大学等高校在内的研究团队与美国斯坦福大学张七轩教授合作，进行技术突破。
图|分子束延伸生长技术制备二烯（来源：清华大学）
2015年，科学家利用分子束延伸生长技术实现了环烯2D晶体膜的首次制备。2018年，科学家再次利用分子束延伸技术成功生产出具有挤压晶格结构的单层锡，首次使单层锡能表现出与石墨烯相同的扁平蜂窝状结构，并结合第一原理计算证实了具有反转和拓扑边界态的拓扑能的存在。
清华大学团队一直是苯类材料研究的重要参与者，这也为张鼎进一步的科研工作奠定了坚实的基础。2018年，清华大学的薛启坤教授和何伟教授利用分子束延伸生长技术在硅衬底上制备了bi2Te3和铅钍（PbTe），从而在铅钽（PbTe）上生长出高质量的锡薄膜。
张丁带领研究团队对锡薄膜进行了进一步的超低温电磁传输测量，从单层到多层，幸运的是，他只用了2~5原子层厚度的灰色锡膜成功发现了超导性。
更有趣的是，延长生长的锡薄膜稳定性非常好。例如，经过几个月的重新实验，该团队在这层只有几层原子厚度的薄膜中实现了超导性，可以继续测量其一些电性能，包括后来直接将样品送到德国地图做实验，长途运输等，后来证明在没有任何保护层的情况下， 这种锡薄膜的超导性可以保持一年以上。
图|锡的超导性质（来源：自然物理）
研究还表明，锡的状态密度受到基板的调制，导致超导性的出现。通过改变基板厚度，他们还实现了锡从单波段超导体到双波段超导体的转变，最高超导体转变温度为3.7K（-269.45摄氏度）。
"虽然有理论认为这种材料可能是一种超导材料，但它实际上是相当出乎意料和令人惊讶的。在实验的第一阶段，我们整个团队都想对拓扑绝缘体相关的性质进行研究，其核心目标一定是实现量子自旋霍尔效应，观察其拓扑行为，但无意中发现了超导的迹象，并验证了进一步的测量结果。"张鼎说。
<h1>发现新的物理机制，探索拓扑超导的可能性</h1>
由于以往的研究已经证明了炔材料存在拓扑反演和拓扑边界态，现在已经发现了超导性，这为拓扑超导性的研究提供了新的思路，也使张鼎对解密亚碳烯材料的更多性质产生了兴趣。
超导的特征维度之一是与临界磁场有关，医疗先进的核磁共振设备等就是利用超导体实现强磁场的应用。
图|三层锡的超导性质（来源：科学）
为了进一步了解锡的二维超导特性，Zhang的团队与德国梅普尔索普的Joseph Falson博士和Jurgen Smet教授合作，在极低温度和强磁场下使用原位旋转测量技术，系统地测量了几乎整个超导温度间隔下临界磁场的行为。
研究发现，锡的超临界磁场不仅超过了"气泡极限"，而且在温度接近绝对零度时也没有饱和的迹象，这是典型的伊辛超导行为，一些理论研究表明，isin超导体可以产生马约拉纳费米，这可以为拓扑量子计算研究提供新的实验平台。
为了总结这种神奇的现象，研究人员将理论与实验相结合，最终提出了一种新型的Isin配对机制，一种可以改善超导体临界磁场的新物理机制。
关于研究的前景，张丁认为，乙烯超导性还远未得到应用，不是一种温度很高的超导材料，但其优点是它在空气中更稳定，超导性也相对稳定，并且可以与拓扑性质相结合，对于进一步的实验操作，如量子操纵会有一定的好处， 但前提是证明其拓扑性质和超导性质确实可以结合起来，进一步探索拓扑超导的可能性。
另外，与石墨烯材料不同，锡需要在一些特殊的基板上生成，不同的基底会使锡原子的间距发生变化，改变原子的间距，很多量子的性质完全改变，也可以选择不同的上层"挂片"元素，来调节或影响它。
"它本身具有量子效应，然后量子效应确保它在外部加强磁场时保持超导，其临界磁场远远超出了传统理论的极限。进一步的研究发现，这种性质并不是这种材料所独有的，许多材料可能具有类似的性质。因此，我们的研究相当于一个起点，从那时起，它可以激发人们用这种量子效应寻找更多的材料。"张鼎说。
对这种局部基础科学的探索，对于拓展量子计算的未来具有关键意义。量子计算的计算能力远高于经典计算，但科学家长期存在的问题是"去相干效应"，因为量子计算机不可避免地与环境耦合并产生各种噪声，导致计算过程中出现各种错误。
近年来，学术界提出，拓扑学中的量子纠错已成为一种有效的解决方案。在任何量子位上发生的单比特错误都可以在拓扑量子计算过程中完全纠正，并且当每个量子比特以相同的概率出错时，受保护的量子关联的有效错误率会大大降低。
在超导态下稳定的电子配对和量子相干效应的帮助下，有可能Mayolana Fermi，其反粒子本身就是，科学家有望操纵Mayolana零能模型，实现更好的容错拓扑量子计算，提高能效比，实用性和计算速度，并帮助构建新一代量子计算机。