近日，北京量子信息科学研究院（简称“量子院”）/北京大学徐洪起团队与中国科学院半导体研究所赵建华-潘东课题组合作，基于半导体砷化铟(InAs)纳米片，采用微纳加工工艺，制作了高质量平面约瑟夫森结器件，观测到背栅电压可调制的超导电流、多重安德烈夫反射（multiple Andreev reflections）和微波辐照下的夏皮罗台阶(Shapiro steps)，并研究了该近邻超导效应随温度和磁场的演化规律。2023年7月14日，相关研究成果以“Supercurrent, Multiple Andreev Reflections and Shapiro Steps in InAs Nanosheet Josephson Junctions”为题发表在《Nano Letters》上。

由分子束外延技术生长的III-V族纳米片是近年新兴的半导体二维纳米结构，不仅继承了III-V族窄带隙半导体所具有的电子有效质量较小、朗德g因子较大和自旋轨道耦合作用较强等优点，还具有易于材料转移和器件制备的优势。研究表明，在InAs纳米片双栅结构器件中，可通过外加垂直电场有效调控体系的Rashba自旋轨道耦合强度。因此，InAs纳米片是研究强自旋轨道耦合和近邻超导效应共同作用下所产生的新奇物理现象的新平台。此前，尚未有报道InAs纳米片复合超导的相关研究。

研究人员采用由分子束外延生长获得的高品质纤锌矿单晶纳米片作为半导体材料，以电子束镀膜蒸镀的铝为超导电极，构造平面约瑟夫森结器件（如图（a）所示），并在稀释制冷温度（～20mK）下对器件的近邻超导性进行研究。实验观测到背栅可调的近邻超导转变电流（如图（b）所示），并根据测得的超导转变电流和过剩电流估算出约瑟夫森结的透射率为70%-80%，标志着器件是一个具有较高的半导体-超导体界面质量的短弱联结。实验还观测到最高为四阶的多重安德烈夫反射，进一步证明了器件的高品质特性（如图（c）所示）。此外，研究人员还通过引入微波辐照观测到整数的夏皮罗台阶，说明器件具有正弦函数的电流相位关系（如图（d）所示）。

该工作为基于半导体InAs纳米片制备平面约瑟夫森结，研究在强自旋轨道耦合与超导态关联作用下的新奇物理现象，探索在该体系中实现拓扑超导的可能性奠定了基础。

图（a）InAs-Al 约瑟夫森结器件的扫描电镜（SEM ）照片（伪彩图）；（b）微分电阻随电流偏置和背栅电压变化图；（c）微分电导随源漏偏压的变化图（多重安德烈夫反射实验测量图）；（d）微波辐照下的微分电阻随电流偏置和辐照功率变化图（夏皮罗台阶的测量图）

量子院助理研究员颜世莉，北京大学博士研究生、量子院实习生苏海天，中国科学院半导体研究所研究员潘东为以上研究成果的共同第一作者。中国科学院半导体研究所研究员赵建华、量子院副研究员王积银，兼聘首席科学家徐洪起教授为通讯作者。合作者还包括北京大学已毕业的博士研究生李伟杰，中国科学院物理研究所研究员吕力、副研究员吕昭征，量子院高级工程师陈墨、助理研究员吴幸军。该工作得到量子院微纳加工平台、综合测试平台以及超导量子计算团队的大力支持，以及国家自然科学基金委等项目的支持。

文章链接：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c01450