揭示超导体混合物中脆弱量子态的远程监测新技术

由磁体和超导体组成的混合材料产生了引人入胜的量子现象，这些现象非常敏感，因此，进行最小干扰的测量至关重要。汉堡大学和伊利诺伊大学芝加哥分校的研究人员现在已经通过实验和理论证明，如何利用扫描隧道显微镜的特殊技术在更长距离上检测和控制这些量子现象。

他们的研究结果可能对拓扑量子计算机的发展非常重要，已在期刊自然物理学上发表。

当一个磁性原子位于超导体中时，会产生所谓的 Yu-Shiba-Rusinov 夸萨粒子。通常情况下，它们只能在原子位置通过扫描隧道显微镜的探头直接测量，并且具有较高的检测概率。

由汉堡大学和伊利诺伊大学芝加哥分校的纳米结构与固态物理研究所的 Jens Wiebe 博士领导的团队成功地测量了这种量子态，距离超过其原始范围的20倍，从而减少了测量探头带来的干扰。

构建和使用量子珊瑚

研究人员将磁性原子限制在一个珊瑚内，这个珊瑚是用扫描隧道显微镜的尖端在超导银晶体表面由91个银原子构建而成的。他们精确地设计了这个量子珊瑚，使得被限制在其中的银电子的一个量子态正好处于费米能级。

对于上图所示的珊瑚，这是一个有四个反节点的量子态。研究人员将磁性原子放置在最左侧的反节点上，并测量了Yu-Shiba-Rusinov准粒子能量下的微分导电率的空间分布，以此来表示其局部概率密度。

研究结果与未来应用

“值得注意的是，Yu-Shiba-Rusinov 夸子即使在围栏态的最右侧‘肚子’位置——距离磁性原子最远的点——仍然可以被检测到，而其出现的概率并没有随着距离原子越来越远而明显降低，”研究员 Wiebe 说，他是‘CUI: 物质的先进成像’卓越集群的成员。

研究人员在紧束缚模型的模拟中观察到了相同的效应。将这些与测量结果进行比较后发现，观察到的现象是一个空间相干的量子态，由库珀对组成，既存在于银晶体的体相，也存在于其表面。此外，团队还展示了这种 Yu-Shiba-Rusinov 投影的量子成分——包括粒子和空穴——可以通过调整量子围栏的大小和形状来操控。

该技术能够使用局部探针测量磁性超导体混合物的脆弱的量子态，同时尽量减少探针的干扰。研究人员计划在未来将这项技术应用于马约拉纳准粒子，因为这些准粒子在新型拓扑量子计算机的开发中具有很大潜力。此外，量子围栏可能用于控制多个磁性超导体混合物中准粒子之间的相互作用。

了解更多信息： Khai That Ton 等，非局部检测相干的 Yu–Shiba–Rusinov 量子态，《自然物理学》（2025）。 DOI: 10.1038/s41567-025-03109-y