研究人员在原子尺度上测量超导干扰的特征

该原理图显示了隧道结与尖端的交界处，磁性杂质通过杂质 - 超导耦合诱导YSR状态。尖端和样品都是超导的，因此它们支持约瑟夫森电流。吸头和样品之间的隧道连接处有两个传输通道。一个传输通道包括 YSR 状态，另一个传输通道不包含任何额外状态 （BCS）。这些传输通道之间的干扰改变了约瑟夫森电流，该电流提供了有关YSR杂质基态的信息。图片来源：Karan et al.

超导体，可以在低温下无电阻导电的材料，具有许多有趣和有利的性能。近年来，物理学家和计算机科学家一直在研究它们在不同应用中的潜力，包括量子计算技术。

与超导体偶联的磁性杂质可以在超导间隙内产生所谓的Yu-Shiba-Rusinov（YSR）状态。当这些杂质与超导体的耦合增加时，YSR状态经历量子相变，导致材料的基态发生变化。虽然许多物理学家在过去几年中研究了YSR态及其量子相变，但它们对超导体基态的影响仍然知之甚少。

马克斯普朗克固态研究所，乌尔姆大学，德国航空航天中心（DLR），乌普萨拉大学和马德里自治大学的研究人员最近进行了一项研究，旨在收集有关与YSR状态相关的基态变化的新见解。他们的研究在《自然物理学》上发表，导致对所谓的约瑟夫森电流变化的详细观察，作为YSR状态相变的特征。

“虽然YSR状态在过去几年中已经被广泛研究，并且有间接迹象表明YSR状态经历了量子相变，但直接表明基态如何变化已经缺失，”进行这项研究的研究人员之一Christian Ast告诉 Phys.org。“基本上，量子相变可以被观察到，但从来都不清楚量子相变的哪一边。如果交换耦合较弱，则杂质自旋自由（基态中的YSR状态为空），如果交换耦合较强，则通过在基态中占据YSR状态来筛选杂质自旋。

当与超导体耦合时，量子点中的自旋会产生所谓的p-Josephson结，这是材料超电流的反转，可以通过测量约瑟夫森电流来观察，也称为超电流或库珀对电流。因此，Ast和他的同事们开始测量约瑟夫森电流，通过YSR状态和该状态的量子相变。

“约瑟夫森电流可以告诉我们YSR状态在量子相变的哪一侧，”Ast解释说。

首先，研究人员使用mK-STM，一种在10mK基温下运行的扫描隧道显微镜，在样品中局部测量具有YSR状态的单个杂质。他们的实验是在马克斯普朗克固态研究所的精密实验室进行的，该实验室是mK-STM的所在地。

“为了观察超电流反转，我们必须采用一个非常棘手的细节，”Ast说。“超电流反转是由于隧道结上的相移。确切地说，相移p，即180度，这相当于一个符号变化，这就是为什么这些结被称为p结，我猜，这个符号变化创造了术语'超电流反转'。

诸如Ast及其同事探测的相变很难通过实验检测到。通常，检测这些变化需要第二个可用作参考接合点的隧道交汇点。到目前为止，大多数研究人员已经使用所谓的超导量子干涉器件（SQUID）检测相变。

SQUID是非常灵敏的设备，可以检测和测量细微的磁场，电流，电压或位移。这些装置基于约瑟夫森效应，它们测量约瑟夫森电流的变化。

“我们通过利用隧道交界处的第二个运输通道来模仿这种设备，该通道用作参考结，”Ast说。“结果，我们看到量子相变一侧的建设性干扰和另一侧两个通道之间的破坏性干扰，这表现为约瑟夫森电流大小的变化。

在他们的研究中，Ast和他的同事们介绍了迄今为止开发的最小的SQUID设备。使用这种装置，他们检测了由半导体内部磁性杂质产生的YSR状态下的0-p跃迁。

“传统SQUID和我们的设备之间的主要区别在于，我们没有超导环路，通过该环路，我们可以传递磁场来调谐相位，”Ast解释说。因此，我们只能检测到一个符号变化，这对于我们的目的来说已经足够了。使用我们的设备，我们成功地检测到了量子相变中YSR状态的0-p跃迁中的相变。

该研究小组测量的约瑟夫森电流的这种变化是YSR状态在其量子相变过程中产生的基态变化的明显特征。Ast和他的同事们能够通过首次利用约瑟夫森效应中两个隧道通道之间的干扰来检测这种变化，从而使用他们的“微型”SQUID作为传感器。

在接下来的研究中，研究人员希望使用他们的论文和其他新设备中引入的传感器来收集有关超导体相变的新见解。最终，他们的任务是通过将系统减少到最低限度，抑制它们的相互作用并将其缩小到原子水平来揭示新的量子极限。

“这些系统的物理学可以通过相对简单的理论进行建模，这使得结果变得美丽，”Ast补充道。“这项工作是寻求新量子极限的一个里程碑。除了这个总体目标之外，我们还希望利用功能化YSR尖端中这种新发现的相位灵敏度来检测其他奇异现象。

更多信息：Sujoy Karan等人，原子尺度上的超导量子干涉，自然物理学（2022）。DOI： 10.1038/s41567-022-01644-6

期刊信息：自然物理学