导读
上海交通大学李政道研究所、物理与天文学院郑浩教授，贾金锋院士团队及合作者，利用本征量子尺寸效应，在超薄金属岛/超导异质结中观测到安德烈夫束缚态并解析其空间波动特性。相关研究以'Quantum-Size Effect Induced Andreev Bound States in Ultrathin Metallic Islands Proximitized by a Superconductor'为题，于2025年8月11日发表于Physical Review Letters。
研究背景
安德烈夫束缚态（ABS）作为超导-正常金属界面的特征量子态，是低能耗电子器件与量子比特的核心载体。此前研究主要需依赖超导-纳米线/量子点-超导约瑟夫森结等复杂结构实现ABS观测，而在结构简单的金属-超导体异质结中始终缺乏直接证据。 本研究创新性地利用超薄金属岛自身的量子尺寸效应：当超薄金属岛（如Bi、Ag、SnTe）几何尺寸降至费米波长尺度（几十纳米），量子限域效应导致电子能级离散化（能级间距meV量级，与常规超导体能隙相当）。通过将此类'天然量子点'与超导衬底耦合，首次在简单异质结中实现离散ABS的观测（图1）。
研究内容
图1：(a) 在超导衬底上生长的、尺寸受限的金属岛中形成的量子阱态示意图；(b) 当量子阱态邻近耦合到超导体时，金属岛内的局域态密度会在超导能隙内呈现出能隙内态（即ABS）
实验的核心挑战在于制备原子级锐利的超导-金属界面。研究团队采用自主开发的等离子体辅助分子束外延技术，制备原子级平整的NbN超导薄膜（APL MATERIALS 5, 126107 (2017)），并在其上生长单层铋(Bi)、银(Ag)及碲化锡(SnTe)纳米岛。在0.4 K极低温下，通过高分辨扫描隧道谱发现：Bi/NbN样品超导能隙内出现对称分布的离散ABS峰（图2b）;ABS能量在单个金属岛内保持空间均匀性(图2c) ; ABS波函数呈现周期性驻波振荡（图3b-c），证实电子在金属岛边界受限形成的量子干涉 。
图2：(a) 生长在 NbN 衬底上的单层Bi(110)形貌图; (b) 沿 (a) 图箭头测量的隧道谱空间分布图; (c) 对应于(b) 中位置依赖隧道谱的彩色映射图
图3：(a)基于量子点-超导体邻近耦合模型计算的态密度，展示不同耦合强度下的结果（量子点尺寸同图2(a)岛）；(b) 图2(c)空间分辨隧道谱放大图；(c)ABS强度随位置变化（实验：黑线；模拟：红线），在岛内周期性振荡；(d) 计算的ABS空间分布图，再现(b)图关键特征（如节点数）
团队建立量子点-超导体耦合模型，揭示关键调控参数：弱耦合强度（Γ=0.13Δ）是观测离散ABS的核心条件（图3a）。强耦合时，ABS将融于超导相干峰。NbN衬底的本征弱耦合特性使ABS清晰显现。“这就像在汹涌的超导海洋中，我们成功建造了一座纳米尺度的量子孤岛”, 郑浩教授比喻道，“岛内电子因空间约束形成驻波，而弱耦合让这些离散态在能隙中'浮出水面”。
总结
该研究证实利用量子尺寸效应可人工调控ABS，为构建基于ABS的量子比特（Andreev qubit）提供了全新材料平台。
上海交通大学物理与天文学院博士生王观勇（毕业后入职深圳国际量子研究院担任副研究员）和南京大学博士生刘力硕为论文共同第一作者，郑浩教授、贾金锋院士为论文的通讯作者， 主要合作者还包括南京大学陈伟教授等。本工作主要由科技部、国家自然科学基金、上海市科委、上海量子科学研究中心等项目的资助，在此表示感谢。
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