導(dǎo)讀

上海交通大學(xué)李政道研究所、物理與天文學(xué)院鄭浩教授，賈金鋒院士團(tuán)隊(duì)及合作者，利用本征量子尺寸效應(yīng)，在超薄金屬島/超導(dǎo)異質(zhì)結(jié)中觀測(cè)到安德烈夫束縛態(tài)并解析其空間波動(dòng)特性。相關(guān)研究以"Quantum-Size Effect Induced Andreev Bound States in Ultrathin Metallic Islands Proximitized by a Superconductor"為題，于2025年8月11日發(fā)表于Physical Review Letters。

研究背景

安德烈夫束縛態(tài)（ABS）作為超導(dǎo)-正常金屬界面的特征量子態(tài)，是低能耗電子器件與量子比特的核心載體。此前研究主要需依賴超導(dǎo)-納米線/量子點(diǎn)-超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)ABS觀測(cè)，而在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的金屬-超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中始終缺乏直接證據(jù)。  本研究創(chuàng)新性地利用超薄金屬島自身的量子尺寸效應(yīng)：當(dāng)超薄金屬島（如Bi、Ag、SnTe）幾何尺寸降至費(fèi)米波長(zhǎng)尺度（幾十納米），量子限域效應(yīng)導(dǎo)致電子能級(jí)離散化（能級(jí)間距meV量級(jí)，與常規(guī)超導(dǎo)體能隙相當(dāng)）。通過(guò)將此類(lèi)"天然量子點(diǎn)"與超導(dǎo)襯底耦合，首次在簡(jiǎn)單異質(zhì)結(jié)中實(shí)現(xiàn)離散ABS的觀測(cè)（圖1）。

研究?jī)?nèi)容

圖1：(a) 在超導(dǎo)襯底上生長(zhǎng)的、尺寸受限的金屬島中形成的量子阱態(tài)示意圖；(b) 當(dāng)量子阱態(tài)鄰近耦合到超導(dǎo)體時(shí)，金屬島內(nèi)的局域態(tài)密度會(huì)在超導(dǎo)能隙內(nèi)呈現(xiàn)出能隙內(nèi)態(tài)（即ABS）

實(shí)驗(yàn)的核心挑戰(zhàn)在于制備原子級(jí)銳利的超導(dǎo)-金屬界面。研究團(tuán)隊(duì)采用自主開(kāi)發(fā)的等離子體輔助分子束外延技術(shù)，制備原子級(jí)平整的NbN超導(dǎo)薄膜（APL MATERIALS 5, 126107 (2017)），并在其上生長(zhǎng)單層鉍(Bi)、銀(Ag)及碲化錫(SnTe)納米島。在0.4 K極低溫下，通過(guò)高分辨掃描隧道譜發(fā)現(xiàn)：Bi/NbN樣品超導(dǎo)能隙內(nèi)出現(xiàn)對(duì)稱分布的離散ABS峰（圖2b）;ABS能量在單個(gè)金屬島內(nèi)保持空間均勻性(圖2c) ; ABS波函數(shù)呈現(xiàn)周期性駐波振蕩（圖3b-c），證實(shí)電子在金屬島邊界受限形成的量子干涉 。

圖2：(a) 生長(zhǎng)在 NbN 襯底上的單層Bi(110)形貌圖; (b) 沿 (a) 圖箭頭測(cè)量的隧道譜空間分布圖; (c) 對(duì)應(yīng)于(b) 中位置依賴隧道譜的彩色映射圖

圖3：(a)基于量子點(diǎn)-超導(dǎo)體鄰近耦合模型計(jì)算的態(tài)密度，展示不同耦合強(qiáng)度下的結(jié)果（量子點(diǎn)尺寸同圖2(a)島）；(b) 圖2(c)空間分辨隧道譜放大圖；(c)ABS強(qiáng)度隨位置變化（實(shí)驗(yàn)：黑線；模擬：紅線），在島內(nèi)周期性振蕩；(d) 計(jì)算的ABS空間分布圖，再現(xiàn)(b)圖關(guān)鍵特征（如節(jié)點(diǎn)數(shù)）

團(tuán)隊(duì)建立量子點(diǎn)-超導(dǎo)體耦合模型，揭示關(guān)鍵調(diào)控參數(shù)：弱耦合強(qiáng)度（Γ=0.13Δ）是觀測(cè)離散ABS的核心條件（圖3a）。強(qiáng)耦合時(shí)，ABS將融于超導(dǎo)相干峰。NbN襯底的本征弱耦合特性使ABS清晰顯現(xiàn)?！斑@就像在洶涌的超導(dǎo)海洋中，我們成功建造了一座納米尺度的量子孤島”, 鄭浩教授比喻道，“島內(nèi)電子因空間約束形成駐波，而弱耦合讓這些離散態(tài)在能隙中'浮出水面”。

總結(jié)

該研究證實(shí)利用量子尺寸效應(yīng)可人工調(diào)控ABS，為構(gòu)建基于ABS的量子比特（Andreev qubit）提供了全新材料平臺(tái)。

上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院博士生王觀勇（畢業(yè)后入職深圳國(guó)際量子研究院擔(dān)任副研究員）和南京大學(xué)博士生劉力碩為論文共同第一作者，鄭浩教授、賈金鋒院士為論文的通訊作者， 主要合作者還包括南京大學(xué)陳偉教授等。本工作主要由科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科委、上海量子科學(xué)研究中心等項(xiàng)目的資助，在此表示感謝。