研究背景
作為少數(shù)幾種有潛力承載超導-半導體混合器件的IV族材料之一，承載普羅克斯化量子點的平面鍺材料提供了一個引人注目的平臺，用以實現(xiàn)并結(jié)合拓撲超導性與現(xiàn)有及新型量子比特模式。鑒于此，丹麥哥本哈根大學Lazar Lakic, William I. L. Lawrie，Anasua Chatterjee等在“Nature Materials”期刊上發(fā)表了題為“A quantum dot in germanium proximitized by a superconductor”的最新論文。該團隊展示了一個在Ge/SiGe異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，采用鉑鍺硅化物（PtSiGe）超導電極進行普羅克斯化的量子點，形成了超導電極-量子點-超導電極接合結(jié)構(gòu)。作者展示了量子點與超導電極之間耦合強度的可調(diào)性，以及通過門控調(diào)節(jié)充電能量與誘導能隙之比，且作者調(diào)控了系統(tǒng)的基態(tài)，實現(xiàn)在偶數(shù)和奇數(shù)粒子數(shù)之間的轉(zhuǎn)換。此外，作者還表征了臨界磁場強度，發(fā)現(xiàn)出平面臨界磁場為0.90 ± 0.04 T。最后，作者探討了亞能隙自旋分裂，在隨之而來的光譜中觀察到豐富的物理現(xiàn)象，并使用Yu-Shiba-Rusinov極限中的零帶寬模型對其進行了建模。作者的發(fā)現(xiàn)為鍺材料中替代性自旋和超導量子比特的物理學以及約瑟夫森結(jié)陣列的物理學開辟了新的方向。
研究亮點
1）實驗首次在Ge/SiGe異質(zhì)結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)了超導–半導體混合量子點（QD），并通過鉑鍺硅化物（PtSiGe）超導電極成功地對量子點進行超導近鄰效應處理，形成了超導電極–量子點–超導電極結(jié)。通過調(diào)節(jié)量子點與超導電極之間的耦合強度，展示了超導與量子點之間的可調(diào)耦合和門控調(diào)節(jié)充電能量與誘導能隙的比值。2）實驗通過門控調(diào)節(jié)，控制了量子點的基態(tài)在偶數(shù)和奇數(shù)配對之間的轉(zhuǎn)換，并對超導–量子點–超導系統(tǒng)進行了磁場強度的研究，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)具有臨界外場為0.90?±?0.04?T。此外，研究了系統(tǒng)中的亞能隙自旋分裂，觀察到豐富的物理現(xiàn)象，并通過Yu–Shiba–Rusinov模型對譜線進行建模，揭示了量子點與超導電極之間的耦合對系統(tǒng)自旋和超導行為的影響。
圖文解讀
圖 1：PtSiGe-Ge/SiGe混合超導器件。圖4: 氧化相和金屬銅相的時間演變及其對NH3選擇性的影響。
結(jié)論展望
本文的研究為超導-半導體混合量子系統(tǒng)提供了重要的實驗平臺，特別是在鍺/硅鍺異質(zhì)結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)的量子點超導誘導耦合系統(tǒng)，展示了超導和半導體之間復雜的相互作用。研究表明，通過精確調(diào)控量子點與超導電極的耦合強度，可以在量子點中實現(xiàn)不同的基態(tài)控制，進而影響系統(tǒng)的量子態(tài)調(diào)節(jié)和自旋分裂特性。這一發(fā)現(xiàn)不僅拓展了超導量子比特的物理模型，也為基于量子點的拓撲超導器件提供了新的研究視角。此外，實驗揭示了鍺材料作為半導體平臺的獨特優(yōu)勢，包括其優(yōu)異的超導-誘導硬隙特性和較強的磁場抗干擾能力，這為開發(fā)具有高穩(wěn)定性和可調(diào)性的量子信息處理器提供了潛在的技術(shù)路線。研究中的零帶寬模型和YSR態(tài)的觀察，為深入理解和控制自旋量子比特的行為提供了理論支持，為未來發(fā)展更高效、更可靠的量子計算平臺奠定了基礎(chǔ)。因此，鍺基超導-半導體混合平臺在量子計算和量子信息處理領(lǐng)域具有重要的啟發(fā)意義，未來可為開發(fā)新型量子器件提供新的思路和方法。Lakic, L., Lawrie, W.I.L., van Driel, D. et al. A quantum dot in germanium proximitized by a superconductor. Nat. Mater. (2025).https://doi.org/10.1038/s41563-024-02095-5
