11月1日，我院付英双教授领导的低维物理与量子材料实验室团队在连续调控超导体杂质态的量子相变方向取得重要进展，相关成果以“High-Resolution Spectroscopy of the Intermediate Impurity States near a Quantum Phase Transition”为题发表在《NanoLetters》。我院2022级博士生张耀为论文第一作者，付英双和刘超飞为共同通讯作者，华中科技大学为第一完成单位。
超导体中的磁性杂质会造成库珀对的散射，并破坏局域的超导性，在超导能隙内产生束缚态，即Yu-Shiba-Rusinov (YSR)态。同时，磁性杂质也会引起体系内自由电子的散射，可导致杂质携带的磁矩被电子屏蔽，诱导所谓的近藤效应（Kondo effect）。库珀对散射较弱时，库珀配对强度相对较强，因而参与近藤屏蔽的自由电子浓度偏低，近藤效应较弱，最终使库珀配对和近藤效应两种现象显示出竞争关系。理论上通过改变磁性杂质与超导体的耦合强度（J），不仅能改变YSR态的能量位置，还可以有效地调控该竞争过程伴随的体系基态变化，即量子相变。当该过程涉及体系的拓扑非平庸特性，在量子相变点附近可出现马约拉纳零能模（Majoranazero mode），这也是当前学界通过调控超导体内磁性杂质耦合构筑拓扑量子比特的有效途径之一。然而，受限于实验手段的可控性以及能量分辨率，量子相变点及其附近的杂质态行为，尤其是涉及有效低能激发的多重量子相变行为并没有被仔细研究。
图1.Fe(Te,Se)表面Fe空位形貌及连续调节针尖-样品距离采集的隧穿谱。
付英双与刘超飞带领团队利用扫描隧道显微镜可控地调节针尖-样品距离，有效调控了单层Fe(Te,Se)/SrTiO3超导材料中磁性缺陷（Fe空位）与超导体的耦合强度J。该项研究实现了上述量子相变过程的连续可调，并借助极低温条件下（0.4K）超高能量分辨率的扫描隧道谱学，观察到了随着针尖靠近样品表面，超导能隙内从最开始的一对YSR态逐渐演化到两对YSR态的精细行为（图1）。整个相变过程中，低能侧的一对YSR态在零能位置发生了交叉，同时相变发生前后，正负能量YSR态分支的谱权重发生交换，均对应量子相变的典型特征。不同的是，高能侧的一对YSR态并未发生交叉，而是逐渐向更高能量位置演化，并且呈现刚性的移动，即与相应低能YSR态保持能量间距不变（恒为0.94 meV）。详细的谱权重分析揭示了磁各向异性参与的量子相变过程，发现这两对YSR态来源于体系磁各向异性诱导的自旋态劈裂，0.94 meV的能量间距即对应磁各向异性能的大小（图2）。研究团队还发现，上述实验现象是较大耦合强度J条件下对应的量子相变点附近的行为，并且预测了更低耦合强度条件下的另一量子相变，给出了磁各向异性参与的YSR态多重量子相变过程的完整物理图像。
图2.相变过程物理图像及谱权重分析。
该工作利用一种连续可控的实验手段观察到了YSR态的量子相变，首次研究了多重YSR态量子相变点附近的物理行为，揭示了磁各向异性影响下YSR态的多重量子相变行为，为基于可调量子基态构建和操纵量子比特提供了新的思路。该工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金（重大计划、面上、青年）、湖北省自然科学基金和武汉市知识创新专项等项目的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03376
