导语

在现代量子科技的发展中，超导体与半导体的结合是一个备受关注的研究方向。这种“超导-半导体”混合器件不仅为量子计算提供了新的可能性，还帮助我们探索了许多奇妙的物理现象。近日，发表在《自然·材料》上的一篇研究文章《A quantum dot in germanium proximitized by a superconductor》，展示了在锗/硅锗异质结构中实现的量子点与超导体的结合，为我们揭示了这一领域的全新突破。

第一章 什么是量子点与超导体的结合？

量子点（Quantum Dot, QD）是在半导体晶体管器件中，通过电势调控形成的零维势阱，由于电子或空穴的运动受到势阱束缚，故表现出类似于原子的分立能级特性。超导体则是一种在低温下电阻为零的材料，能够让电子无损耗地流动。当量子点与超导体结合时，超导体的特性会“邻近化”到量子点中，产生一系列奇特的物理现象，例如超导能隙的出现和超导关联效应的增强。这种结合为量子计算提供了新的平台，例如安德烈夫自旋量子比特（Andreev spin qubits）和拓扑量子比特（topological qubits）。此外，它还可以用于研究约瑟夫森结阵列和库珀对分离器等器件。

图1. a.基于锗异质结的超导-量子点复合器件扫描电子显微镜图。b.器件截面示意图。量子点形成于Ge量子阱层（深红色），栅电极PG用于调节量子点能级和空穴数量，栅电极LB/RB可以调节量子点和超导源漏电极（S/D）的耦合强度。c.超导-量子点复合系统的能量示意图。其中，Δ是超导（SC）能隙，U是量子点（QD）的充电能，Γ_s是超导与量子点之间的耦合强度，ε₀是量子点能级相对于超导费米能的电化学势。

第二章 为什么选择锗材料？

锗异质结二维空穴气是近年来半导体量子计算领域的明星材料，与其他半导体材料相比，锗基空穴气具有一些独特的优势：

1.同位素纯化

在半导体材料中，空穴或电子自旋可以被用于编码量子比特。通过使用同位素纯化的锗异质结可以接近完全消除原子核自旋对量子比特的干扰，大幅提高量子比特的相干时间。

2.低电阻接触

由于锗材料表明存在很强的费米钉扎效应，故锗基电子器件可以使用金属作为接触电极，而无需采用更繁琐的掺杂工艺便可实现较低的接触电阻，这不仅便于高效地制备量子器件，也使得接触电极材料的选择更加宽泛。

3.强自旋轨道耦合

自旋轨道耦合不仅是自旋量子比特被高速电控的前提条件，也是构建Majorana费米子的基本要素之一。因此具备强自旋轨道耦合的锗基空穴气是构建超导-半导体复合量子器件的理想材料。

在这项研究中，科学家们充分发挥了锗基二维空穴气的特色，使用了一种新型的超导体材料——铂锗硅化物（PtSiGe）作为接触电极。这种材料是通过在锗/硅锗异质结构上沉积铂并经过热处理形成的，有效避免了传统工艺中对量子阱的损伤，为超导体与半导体的结合提供了高质量的界面。

图2. 通过调节量子点与超导电极的耦合强度实现从单重态（|S>）到双重态（|D>）的转变。这一转变可以通过测量量子点电导随偏压V_SD以及栅电压V_PG证实。

第三章 研究的主要发现

1.超导能隙的存在

研究人员在实验中观察到了一个超导能隙窗口（4Δ_o = 284 μeV），在能隙内电子输运被完全抑制，而在能隙外则恢复了正常的库仑阻塞行为。

2.耦合强度的可调性

如图2所示，通过调节栅电极（图1b中的RB）电压，研究人员可以控制量子点与超导体之间的耦合强度，从而实现从单重态（singlet）到双重态（doublet）的转变。

3.磁场影响

当施加外部磁场时，超导能隙会逐渐关闭。研究发现，超导器件的临界磁场强度为0.90 ± 0.04 T，这在同类器件中表现出较高的磁场耐受性，故可用于更宽泛的拓扑器件和物理研究。

4.g_⊥的重整化

在磁场作用下，研究人员观察到超导能隙内的自旋分裂现象，并测得了面外g_⊥因子为1.5 ± 0.2，小于基于量子点输运能谱提取的g_⊥因子。这一差异可能来自于锗空穴与超导杂化导致的g_⊥因子重整化。

终章 这项研究的意义

这项研究不仅证明了构建锗异质结超导-半导体混合器件的可行性，还为未来的量子信息处理提供了新的思路。例如：基于超导与量子点的结合，可以实现高相干性的安德列夫自旋量子比特；通过量子点阵列，可以构建受拓扑保护的量子比特，提高量子计算的鲁棒性；这种器件为研究超导与半导体之间的相互作用提供理想的实验平台。这项研究展示了锗基异质结中量子点与超导体结合的巨大潜力，为量子信息处理和基础物理研究开辟了新的方向。随着技术的进步，科学家们有望在这一平台上实现更多突破，为量子计算和拓扑材料的研究带来更多惊喜。

相关链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-024-02095-5

撰稿｜裴一天