控制超导器件中量子束缚态的新方法

研究人员利用栅极电压成功控制了双层石墨烯基约瑟夫森结中安德烈夫束缚态的量子力学特性。他们的研究成果发表在《物理评论快报》上。研究团队包括韩国浦项科技大学 (POSTECH) 物理系的 Gil-Ho Lee 教授和 Gil Young Cho 教授，以及日本国家材料科学研究所 (NIMS) 的 Kenji Watanabe 博士和 Takashi Taniguchi 博士。

超导体是一种在特定条件下(例如极低温度或高压)呈现零电阻的材料。当将非常薄的正常导体放在两个超导体之间时，由于邻近效应，超导性延伸到正常导体中，超电流会流过正常导体。这种装置被称为约瑟夫森结。

在正常导体中，形成了称为安德烈夫束缚态的新量子态，这对于介导超电流流动至关重要。

安德烈夫束缚态的能级数决定了约瑟夫森结的电特性，它取决于传导通道长度(正常导体的长度)与超导相干长度(正常导体中可维持超导态的长度)之比。

当传导通道较短，安德烈夫束缚态能级数限制为一对时，系统被称为短结极限。相反，如果有两对以上，则称为长结极限。

本次研究中，研究团队利用栅极电压实时控制双层石墨烯的二次能量色散和超导相干长度，并利用前作中发展的隧道谱技术实时观察了不同栅极电压下安德烈夫束缚态的变化，证实了实验结果与理论预测相符。

浦项科技大学量子信息设备研究与教育中心的首席作者兼研究员 Geon-Hyoung Park 表示：“我们在长约瑟夫森结极限中观察到了安德烈夫束缚态，这种现象主要见于短约瑟夫森结极限。我们预计，仅通过施加栅极电压就可以轻松调整能级数量，从而为量子计算和高精度量子传感器等不同领域提供潜在应用。”