特別說(shuō)明：本文由學(xué)研匯技術(shù) 中心原創(chuàng)撰寫(xiě)，旨在分享相關(guān)科研知識(shí)。因?qū)W識(shí)有限，難免有所疏漏和錯(cuò)誤，請(qǐng)讀者批判性閱讀，也懇請(qǐng)大方之家批評(píng)指正。
原創(chuàng)丨彤心未泯（學(xué)研匯 技術(shù)中心）
編輯丨風(fēng)云
研究背景
當(dāng)通過(guò)基于界面安德烈夫反射過(guò)程的鄰近效應(yīng)將超導(dǎo)性引入本質(zhì)上非超導(dǎo)材料時(shí)，會(huì)形成特別有趣的物質(zhì)態(tài)。如果清潔極限下的普通金屬與超導(dǎo)體之間的界面透明度很高，則在超過(guò)數(shù)十納米的長(zhǎng)度范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生超導(dǎo)性。
然而，鄰近效應(yīng)超導(dǎo)的研究仍存在以下問(wèn)題：
1、遠(yuǎn)距離異質(zhì)結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)電性是否存在鄰近效應(yīng)尚不清楚
對(duì)于許多異質(zhì)結(jié)構(gòu)，超導(dǎo)電性必須通過(guò)界面態(tài)或表面態(tài)來(lái)誘導(dǎo)。這些通常與體帶很好地解耦，因此，如果非超導(dǎo)與超導(dǎo)體的距離大于幾個(gè)納米，那么它們是否獲得足夠的配對(duì)尚不清楚。
2、不同材料模板的超導(dǎo)電性引入尚未探明
QD可以通過(guò)自旋簡(jiǎn)并單粒子本征模來(lái)描述。此類(lèi)QD的耦合陣列在相鄰位點(diǎn)之間具有可調(diào)的相互作用，已成為量子材料模擬的令人興奮的平臺(tái)。盡管在選擇不同的材料模板以將更復(fù)雜的現(xiàn)象融入這些QD方面取得了進(jìn)展，但迄今為止尚未研究將超導(dǎo)性引入其各自本征模的途徑。
有鑒于此，德國(guó)漢堡大學(xué)Lucas Schneider（一作兼通訊）等人研究了僅在超導(dǎo)襯底上的量子圍欄中限制的表面態(tài)的單個(gè)自旋簡(jiǎn)并量子能級(jí)上的鄰近效應(yīng)的最微型例子，超導(dǎo)襯底是通過(guò)掃描隧道顯微鏡逐個(gè)原子構(gòu)建的。每當(dāng)通過(guò)調(diào)整圍欄的尺寸使圍欄的本征模接近費(fèi)米能量時(shí)，一對(duì)粒子空穴對(duì)稱(chēng)態(tài)就會(huì)進(jìn)入超導(dǎo)體的間隙。作者將這些確定為50 年前理論上預(yù)測(cè)的自旋簡(jiǎn)并安德烈夫束縛態(tài)，迄今為止，它尚未被隧道光譜檢測(cè)到，但最近被證明與跨量子比特設(shè)備相關(guān)。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，觀察到的帶隙內(nèi)態(tài)的反交叉是量子圍欄本征模中鄰近誘導(dǎo)配對(duì)的度量。該結(jié)果對(duì)解釋超導(dǎo)體中雜質(zhì)引起的帶隙態(tài)有直接影響，證實(shí)了將超導(dǎo)性引入表面態(tài)的概念，并進(jìn)一步為超導(dǎo)人工晶格鋪平了道路。
技術(shù)方案：
1、利用掃描隧道顯微鏡逐原子構(gòu)建量子點(diǎn)
作者使用掃描隧道顯微鏡（STM）和掃描隧道光譜研究了在超導(dǎo)Nb（110）上生長(zhǎng)的薄Ag（111）島上的Ag原子籠定義的人工量子點(diǎn)。
2、研究了量子點(diǎn)的帶隙內(nèi)狀態(tài)
作者通過(guò)調(diào)整 QD的長(zhǎng)度Lx并研究帶隙外部和內(nèi)部本征模的演化深入地研究了帶隙內(nèi)狀態(tài)的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)帶隙之外量子數(shù)為[nx,?1]的本征模的能量移動(dòng)遵循眾所周知的Lx-2行為。
3、證實(shí)了自旋簡(jiǎn)并局域水平共振散射Andreev束縛態(tài)
作者證實(shí)對(duì)于所有非消失的V，在帶隙內(nèi)能量處始終存在一對(duì)安德烈夫束縛態(tài)（MSS），進(jìn)一步研究表明超導(dǎo)體混合了粒子狀和空穴狀狀態(tài)。
4、研究了超導(dǎo)體能隙內(nèi)時(shí)能級(jí)的有效低能理論
作者研究了當(dāng)Er位于超導(dǎo)體能隙內(nèi)時(shí)能級(jí)的有效低能理論，表明針對(duì)不同QD本征模測(cè)量的εmin值確實(shí)可以用鄰近能隙幅度Δind來(lái)識(shí)別。
技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
1、開(kāi)發(fā)了鄰近效應(yīng)研究的最微觀的研究特例
作者通過(guò)掃描隧道顯微鏡逐原子構(gòu)建了超導(dǎo)襯底，研究了在超導(dǎo)襯底上的量子圍欄中限制的表面態(tài)的單個(gè)自旋簡(jiǎn)并量子能級(jí)上的鄰近效應(yīng)的最微型例子。
2、首次觀測(cè)到50年前理論預(yù)測(cè)的Andreev束縛態(tài)
作者通過(guò)調(diào)整量子圍欄的尺寸，發(fā)現(xiàn)了50 年前Machida和Shibata理論上預(yù)測(cè)的自旋簡(jiǎn)并Andreev束縛態(tài)，迄今為止，它尚未被隧道光譜檢測(cè)到。
技術(shù)細(xì)節(jié)
逐原子構(gòu)建量子點(diǎn)
作者使用掃描隧道顯微鏡（STM）和掃描隧道光譜研究了在超導(dǎo)Nb（110）上生長(zhǎng)的薄Ag（111）島上的Ag原子籠定義的人工量子點(diǎn)。使用超導(dǎo)鈮尖端，從而提高了能量分辨率，并且通過(guò)尖端超導(dǎo)間隙 Δt 的值將光譜特征轉(zhuǎn)移到更高的能量。研究了體電子對(duì)QD 本征模的鄰近效應(yīng)。可以使用橫向原子操縱技術(shù)將單個(gè)銀原子排列形成尺寸可調(diào)的矩形人工量子點(diǎn)。量子點(diǎn)本征模的空間結(jié)構(gòu)可以通過(guò)測(cè)量特定偏置電壓eV?=?E下的微分電導(dǎo)來(lái)繪制。
圖 與超導(dǎo)基底耦合的逐原子構(gòu)建的量子點(diǎn)
帶隙內(nèi)狀態(tài)
為了更深入地了解這些帶隙內(nèi)狀態(tài)的性質(zhì)，通過(guò)調(diào)整 QD的長(zhǎng)度Lx并研究帶隙外部和內(nèi)部本征模的演化。正如預(yù)期的那樣，帶隙之外量子數(shù)為[nx,?1]的本征模的能量移動(dòng)遵循眾所周知的Lx-2行為。評(píng)估了QD不同本征模的最小值εmin，并將結(jié)果與其在能隙外能量處的估計(jì)能量展寬Γ進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)接近EF的本征模的Γ隨著QD尺寸的增加而減小。εmin和Γ∝V2之間存在明顯的相關(guān)性：對(duì)于零能量QD本征模與基底超導(dǎo)體的耦合Γ的增加，εmin從EF向基底的間隙邊緣Δs移動(dòng)。
圖 近零能量?jī)A斜QD本征模式的帶隙內(nèi)狀態(tài)
自旋簡(jiǎn)并局域水平共振散射MSS
在STM實(shí)驗(yàn)中觀察到這些帶隙內(nèi)態(tài)是一個(gè)令人驚訝的結(jié)果，作者排除了磁性在僅具有非磁性吸附原子的純凈且特征良好的貴金屬表面上發(fā)揮的作用。通過(guò)計(jì)算，作者證實(shí)對(duì)于所有非消失的V，在帶隙內(nèi)能量處始終存在一對(duì)安德烈夫束縛態(tài)（MSS），它們是在可忽略的電子-電子相互作用（U）的極限下的一種特殊的安德烈夫束縛態(tài)。進(jìn)一步研究表明超導(dǎo)體混合了粒子狀和空穴狀狀態(tài)。MSS最小能量隨Γ增加的預(yù)測(cè)變化與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的良好定量一致性表明實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的共振確實(shí)是MSS。
圖 來(lái)自自旋簡(jiǎn)并局域水平共振散射的MSS
超導(dǎo)體能隙內(nèi)時(shí)能級(jí)的有效低能理論
盡管這些結(jié)果表明，隨著與超導(dǎo)的耦合增加，局域能級(jí)的最低能量準(zhǔn)粒子激發(fā)逐漸消失，但先驗(yàn)并不清楚局域能級(jí)是否經(jīng)歷鄰近超導(dǎo)。為此，作者研究了當(dāng)Er位于超導(dǎo)體能隙內(nèi)時(shí)能級(jí)的有效低能理論。針對(duì)不同QD本征模測(cè)量的εmin值確實(shí)可以用鄰近能隙幅度Δind來(lái)識(shí)別。MSS的能量主要取決于Γ和Δs的比率。這里研究的量子點(diǎn)本征模式的線寬與超導(dǎo)能隙的大小相似，這導(dǎo)致低能帶內(nèi)態(tài)與相干峰很好地分離。對(duì)于最窄的研究QD觀察到最強(qiáng)的耦合Γ，導(dǎo)致相對(duì)較大的間隙Δind高達(dá)85%的Δs引入QD本征模，表明鄰近效應(yīng)源于量子點(diǎn)壁上表面態(tài)的散射。
圖 帶隙態(tài)的粒子-空穴混合物
總之，作者通過(guò)逐原子構(gòu)建量子點(diǎn)，研究了鄰近超導(dǎo)性。作者預(yù)計(jì)雜質(zhì)支持的鄰近誘導(dǎo)庫(kù)珀配對(duì)的概念有助于將超導(dǎo)性引入任意表面態(tài)，也可能與非平凡的拓?fù)湎嘟Y(jié)合。其中，后者提供了創(chuàng)建非常規(guī)超導(dǎo)性和馬約拉納束縛態(tài)的途徑。此外，通過(guò)精確定位的散射中心來(lái)圖案化（111）貴金屬表面的表面態(tài)已發(fā)展成為人工晶格方向上最有前途的平臺(tái)之一。這些已被證明包含狄拉克費(fèi)米子、平帶、分形幾何中的波函數(shù)或拓?fù)浞瞧椒矤顟B(tài)。最終，該結(jié)果有助于在簡(jiǎn)單且可調(diào)的平臺(tái)中研究這些奇異現(xiàn)象與超導(dǎo)配對(duì)的相互作用。
參考文獻(xiàn)：
Schneider, L., Ton, K.T., Ioannidis, I. et al. Proximity superconductivity in atom-by-atom crafted quantum dots. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06312-0
