研究背景
作為少數幾種有潛力承載超導-半導體混合器件的IV族材料之一，承載普羅克斯化量子點的平面鍺材料提供了一個引人注目的平臺，用以實現并結合拓撲超導性與現有及新型量子比特模式。鑒于此，丹麥哥本哈根大學Lazar Lakic, William I. L. Lawrie，Anasua Chatterjee等在“Nature Materials”期刊上發表了題為“A quantum dot in germanium proximitized by a superconductor”的最新論文。該團隊展示了一個在Ge/SiGe異質結構中，采用鉑鍺硅化物（PtSiGe）超導電極進行普羅克斯化的量子點，形成了超導電極-量子點-超導電極接合結構。作者展示了量子點與超導電極之間耦合強度的可調性，以及通過門控調節充電能量與誘導能隙之比，且作者調控了系統的基態，實現在偶數和奇數粒子數之間的轉換。此外，作者還表征了臨界磁場強度，發現出平面臨界磁場為0.90 ± 0.04 T。最后，作者探討了亞能隙自旋分裂，在隨之而來的光譜中觀察到豐富的物理現象，并使用Yu-Shiba-Rusinov極限中的零帶寬模型對其進行了建模。作者的發現為鍺材料中替代性自旋和超導量子比特的物理學以及約瑟夫森結陣列的物理學開辟了新的方向。
研究亮點
1）實驗首次在Ge/SiGe異質結構中實現了超導–半導體混合量子點（QD），并通過鉑鍺硅化物（PtSiGe）超導電極成功地對量子點進行超導近鄰效應處理，形成了超導電極–量子點–超導電極結。通過調節量子點與超導電極之間的耦合強度，展示了超導與量子點之間的可調耦合和門控調節充電能量與誘導能隙的比值。2）實驗通過門控調節，控制了量子點的基態在偶數和奇數配對之間的轉換，并對超導–量子點–超導系統進行了磁場強度的研究，發現該系統具有臨界外場為0.90?±?0.04?T。此外，研究了系統中的亞能隙自旋分裂，觀察到豐富的物理現象，并通過Yu–Shiba–Rusinov模型對譜線進行建模，揭示了量子點與超導電極之間的耦合對系統自旋和超導行為的影響。
圖文解讀
圖 1：PtSiGe-Ge/SiGe混合超導器件。圖4: 氧化相和金屬銅相的時間演變及其對NH3選擇性的影響。
結論展望
本文的研究為超導-半導體混合量子系統提供了重要的實驗平臺，特別是在鍺/硅鍺異質結構中實現的量子點超導誘導耦合系統，展示了超導和半導體之間復雜的相互作用。研究表明，通過精確調控量子點與超導電極的耦合強度，可以在量子點中實現不同的基態控制，進而影響系統的量子態調節和自旋分裂特性。這一發現不僅拓展了超導量子比特的物理模型，也為基于量子點的拓撲超導器件提供了新的研究視角。此外，實驗揭示了鍺材料作為半導體平臺的獨特優勢，包括其優異的超導-誘導硬隙特性和較強的磁場抗干擾能力，這為開發具有高穩定性和可調性的量子信息處理器提供了潛在的技術路線。研究中的零帶寬模型和YSR態的觀察，為深入理解和控制自旋量子比特的行為提供了理論支持，為未來發展更高效、更可靠的量子計算平臺奠定了基礎。因此，鍺基超導-半導體混合平臺在量子計算和量子信息處理領域具有重要的啟發意義，未來可為開發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
