锗基超导邻近量子点中的可控Yu-Shiba-Rusinov态与自旋分裂研究

研究团队在Ge/SiGe异质结构中实现了铂锗硅化物(PtSiGe)超导邻近的量子点(QD)器件，通过调控量子点-超导体(SC)耦合强度ΓS，首次观察到从双态(|D?)到单态(|S?)的基态转变，并测得0.90±0.04 T的垂直临界磁场。该工作利用零带宽(ZBW)模型解析了亚能隙自旋分裂(g⊥=1.5±0.2)，为拓扑量子计算和混合量子信息处理提供了可扩展的锗基平台。

　　

在量子计算领域，超导-半导体混合器件是实现拓扑量子比特和安德烈夫自旋量子比特的关键平台。然而，传统III-V族材料因核自旋干扰和压电效应限制了量子相干性。锗(Ge)作为IV族材料，兼具同位素纯化优势和低阻欧姆接触特性，但其二维异质结构中的超导邻近效应研究仍存在临界磁场低(约50 mT)、耦合强度调控困难等挑战。

丹麦哥本哈大学尼尔斯·玻尔研究所(Niels Bohr Institute, University of Copenhagen)的Lazar Lakic团队在《Nature Materials》发表研究，通过铂锗硅化物(PtSiGe)超导电极与Ge/SiGe量子点的集成，构建了SC-QD-SC结。研究人员采用快速热退火(400°C/15 min)形成超导接触，结合三层ALD沉积Al₂O₃介电隔离栅极，实现了Γ_S从70μeV到150μeV的电控调节。通过9 mK极低温输运测量和射频反射谱技术，系统表征了量子点与超导体的耦合特性。

超导耦合调控

通过屏障栅(V_RB)调节量子点与超导体的隧穿耦合，观察到284μeV的超导能隙(4Δ₀)。在强耦合区(V_RB=-1.3717 V)，电荷稳定性图谱显示N和N+1态的能级合并，证实了|D?→|S?的基态转变。ZBW模型计算(U=1.6 meV, Δ=71μeV)与实验数据高度吻合，揭示YSR态形成机制。

临界磁场特性

垂直磁场下测得B_c,⊥=0.90±0.04 T，远超此前报道值。该增强效应归因于纳米尺度超导结的涡旋抑制。在1 T磁场下，库仑钻石(E_C=1-1.8 meV)恢复常规偶-奇填充振荡，证实系统处于YSR极限。

自旋分裂现象

在350 mT磁场下，单态基态区(V_PG=-1.8027 V)观测到非色散性能级分裂，通过引入SC和QD的塞曼能(E_Z^SC=E_Z^QD=56μeV)成功建模。各向异性测量显示g因子从垂直方向的1.5±0.2变化至平面方向更高值，反映空穴自旋与超导序参量的杂化效应。

该研究首次在锗基二维体系中实现超导邻近量子点的全电控操作，其高临界磁场和可调耦合特性为构建拓扑Kitaev链和混合量子处理器奠定基础。各向异性g因子工程为自旋-超导协同调控提供新思路，而铂锗硅化物的低温兼容工艺有望拓展至铱、铑等新型锗化物超导体系。研究成果将推动IV族材料在容错量子计算和介观超导物理中的应用。