利用 Yu-Shiba-Rusinov 束缚态提升分子热机热电输出：开启量子计算制冷与废热回收新篇

为解决传统热机因有移动部件易故障、不适合特定应用的问题，研究人员开展了关于粒子交换热机效率提升的研究。他们利用 Yu-Shiba-Rusinov（YSR）束缚态，发现分子热机从 Kondo 态转变到 YSR 态时，热电功率因子提高五倍，为相关应用提供了新方向。

　　在科技飞速发展的当下，能源的高效转化与利用一直是科学界的热门话题。传统的循环热机内部存在移动部件，这一结构特点使得它们在实际应用中存在诸多弊端。比如，容易发生故障，在一些对稳定性要求极高的场景，如航天设备、精密传感器等领域，其可靠性大打折扣；而且对于可穿戴设备而言，传统热机的体积和重量也限制了其应用。此外，在一些特殊环境，像外太空探索时，传统热机的适应性也较差。

为了突破这些困境，科学家们将目光投向了粒子交换热机。这类热机通过粒子在两个热库之间的交换来运作，且没有移动部件，有望实现小型化，在纳米尺度下发挥重要作用。其工作原理主要基于对粒子的能量过滤，若能维持较窄的能量带，就能提高热机效率。

在此背景下，代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）的研究人员展开了一项极具意义的研究。他们将研究重点聚焦于利用 YSR 束缚态提升分子热机的热电输出。研究发现，当分子热机从 Kondo 态转变到 YSR 态时，热电功率因子提高了五倍。这一成果意义非凡，为低温废热回收以及未来量子计算架构的高效点冷却等实际应用开辟了新的道路。该研究成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员在实验过程中运用了多种关键技术方法。在样品制备方面，采用电子束光刻技术制作器件，通过电子束蒸发和溅射等手段沉积金属和超导接触。对于分子的合成与表征，利用多步化学反应制备了目标分子，并通过 EPR 光谱等技术进行分析。测量时，运用锁相双调制技术同时测量电导和热电流，使用 SNS - 温度计测量分子两端的温度差。

下面来详细介绍研究结果：

• 器件架构与测量原理：研究人员搭建了特殊的三端器件，利用超导电极诱导分子结产生近邻超导性。通过同时施加交流偏置电压vac和交流加热电流IH，并在源端解调交流电流，以此获得微分电导dI/dV和热电流Ith 。
• 量子相变研究：施加外部面外磁场会抑制库珀对形成，促进 Kondo 屏蔽。研究发现，在特定栅极电压下，随着磁场变化，YSR 态的微分电导峰会发生变化，在一定磁场强度下合并形成 Kondo 共振。这表明系统在不同基态之间发生了连续演化，存在量子临界点。而且通过对 Kondo 共振的塞曼分裂研究，确定了分子结是自旋1/2系统。
• YSR 态对热电性能的影响：研究人员测量了不同磁场下的微分电导和热电流，发现热电流的变化与微分电导的二阶导数相关。在零磁场时，YSR 态下热电流在特定偏压下多次变号；施加磁场后，进入 Kondo 态，热电流变号次数减少。通过计算还发现，YSR 态使塞贝克系数提高两倍，功率因子提高五倍。

研究结论与讨论部分再次强调了 YSR 态在提升热电效率方面的关键作用。在无超导性时，系统表现出 Kondo 效应；而当磁场降低，金转变为近邻诱导超导时，会出现 YSR 态激发。数值模拟结果也验证了实验数据，表明系统可通过外部磁场从 YSR 态转变为 Kondo 态。该研究充分证明，YSR 态作为锐利的能量过滤器，能够显著提高热机的热电效率。未来，通过进一步优化隧道耦合强度等参数，有望使分子热机的热电效率接近理论极限，为能源领域的发展提供更多可能。