Nature Materials：量子点-超导体！
米测MeLab
2025-03-05
研究背景
作为少数几种有潜力承载超导-半导体混合器件的IV族材料之一，承载普罗克斯化量子点的平面锗材料提供了一个引人注目的平台，用以实现并结合拓扑超导性与现有及新型量子比特模式。鉴于此，丹麦哥本哈根大学Lazar Lakic, William I. L. Lawrie，Anasua Chatterjee等在“Nature Materials”期刊上发表了题为“A quantum dot in germanium proximitized by a superconductor”的最新论文。该团队展示了一个在Ge/SiGe异质结构中，采用铂锗硅化物（PtSiGe）超导电极进行普罗克斯化的量子点，形成了超导电极-量子点-超导电极接合结构。作者展示了量子点与超导电极之间耦合强度的可调性，以及通过门控调节充电能量与诱导能隙之比，且作者调控了系统的基态，实现在偶数和奇数粒子数之间的转换。此外，作者还表征了临界磁场强度，发现出平面临界磁场为0.90 ± 0.04 T。最后，作者探讨了亚能隙自旋分裂，在随之而来的光谱中观察到丰富的物理现象，并使用Yu-Shiba-Rusinov极限中的零带宽模型对其进行了建模。作者的发现为锗材料中替代性自旋和超导量子比特的物理学以及约瑟夫森结阵列的物理学开辟了新的方向。
研究亮点
1）实验首次在Ge/SiGe异质结构中实现了超导–半导体混合量子点（QD），并通过铂锗硅化物（PtSiGe）超导电极成功地对量子点进行超导近邻效应处理，形成了超导电极–量子点–超导电极结。通过调节量子点与超导电极之间的耦合强度，展示了超导与量子点之间的可调耦合和门控调节充电能量与诱导能隙的比值。2）实验通过门控调节，控制了量子点的基态在偶数和奇数配对之间的转换，并对超导–量子点–超导系统进行了磁场强度的研究，发现该系统具有临界外场为0.90 ± 0.04 T。此外，研究了系统中的亚能隙自旋分裂，观察到丰富的物理现象，并通过Yu–Shiba–Rusinov模型对谱线进行建模，揭示了量子点与超导电极之间的耦合对系统自旋和超导行为的影响。
图文解读
图 1：PtSiGe-Ge/SiGe混合超导器件。图4: 氧化相和金属铜相的时间演变及其对NH3选择性的影响。
结论展望
本文的研究为超导-半导体混合量子系统提供了重要的实验平台，特别是在锗/硅锗异质结构中实现的量子点超导诱导耦合系统，展示了超导和半导体之间复杂的相互作用。研究表明，通过精确调控量子点与超导电极的耦合强度，可以在量子点中实现不同的基态控制，进而影响系统的量子态调节和自旋分裂特性。这一发现不仅拓展了超导量子比特的物理模型，也为基于量子点的拓扑超导器件提供了新的研究视角。此外，实验揭示了锗材料作为半导体平台的独特优势，包括其优异的超导-诱导硬隙特性和较强的磁场抗干扰能力，这为开发具有高稳定性和可调性的量子信息处理器提供了潜在的技术路线。研究中的零带宽模型和YSR态的观察，为深入理解和控制自旋量子比特的行为提供了理论支持，为未来发展更高效、更可靠的量子计算平台奠定了基础。因此，锗基超导-半导体混合平台在量子计算和量子信息处理领域具有重要的启发意义，未来可为开发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
