YSR态塞曼分裂抑制现象的量子特性与实验观测

1. YSR态与塞曼分裂的量子特性研究概述

在超导体与磁性杂质的相互作用体系中，YSR（Yu-Shiba-Rusinov）态作为典型的量子束缚态，近年来已成为凝聚态物理研究的前沿热点。这种由磁性杂质在超导能隙内诱导产生的局域电子态，不仅展现出独特的量子行为，更为拓扑量子计算中的马约拉纳费米子研究提供了重要平台。我们通过极低温（毫开尔文量级）量子输运实验，首次观测到特定势垒电压条件下YSR态的塞曼分裂抑制现象——当系统处于特定参数区间时，即使施加80mT面外磁场或300mT面内磁场，YSR态能级也未出现预期的塞曼分裂特征。

这一反常现象的背后，可能隐藏着强自旋-轨道耦合与超导近邻效应的协同作用机制。传统理论认为，磁场作用下电子自旋自由度会通过塞曼效应导致能级分裂（ΔE = gμ_BB，其中g为朗德因子，μ_B为玻尔磁子）。但我们的实验数据显示，当调节栅极电压VP至3.83-3.87V范围，同时将源漏偏压VSD控制在±0.2mV区间时，YSR态在80mT面外磁场（Bz）和300mT面内磁场（Bx）下均保持能级简并（如图S12所示）。这种"违背常识"的量子行为，为探索新型自旋电子器件和拓扑量子比特提供了新的物理视角。

2. 实验系统与测量方法解析

2.1 样品制备与测量平台

实验采用分子束外延（MBE）生长的铝基超导异质结，通过电子束光刻技术制备纳米尺度电极。核心结构包含：

• 超导铝薄膜（厚度15nm，临界温度Tc≈1.2K）
• 磁性杂质（铁原子团簇）通过热蒸发沉积
• 三端门控结构（源极、漏极、栅极）

测量在稀释制冷机中进行，基础温度降至10mK以下，采用四线法消除接触电阻影响。关键仪器包括：

• DC/AC锁相放大器（测量电导G）
• 三维矢量磁体系统（精度±0.1°）
• 低噪声电压源（分辨率1μV）

2.2 测量参数优化

为实现高精度塞曼分裂观测，我们建立了以下测量协议：

1. 磁场校准：通过grAl（石墨烯-铝复合）条纹的临界电流随磁场角度变化关系（图S13），确认磁场方向偏差<1.2°
2. 电导测量：固定源漏偏压VSD在-0.2mV至0.2mV区间扫描，步长10μV
3. 栅压调控：精细调节VP（3.82V-3.87V）观察YSR态移动
4. 势垒电压VS：对比常规条件（VS_0）与增高180mV（VS_0+180mV）下的谱线差异

关键技巧：在接近超导能隙边缘（Δ≈200μeV）时，需将锁相放大器时间常数设为300ms以上以抑制噪声，同时采用AC调制幅度5μV避免展宽效应。

3. 塞曼分裂抑制现象的观测与分析

3.1 零磁场下的YSR态特征

在VS_0+180mV条件下，零磁场时观测到典型的YSR态双峰结构（图S12a），对应自旋向上/向下态。值得注意的是，当VP调至3.85V附近时，电导峰出现反常展宽现象——这可能是强耦合区域中准粒子寿命缩短的表现。通过拟合峰形可提取以下参数：

• 能级位置：E_YSR ≈ ±120μeV
• 峰宽：Γ ≈ 25μeV（远大于热展宽k_BT≈1μeV）
• 耦合强度：Γ_S/Δ ≈ 0.6（中等耦合区）

3.2 磁场响应异常现象

施加磁场后的测量结果显著偏离预期：

• 面外磁场（Bz=80mT）：理论上应产生约9.3μeV的塞曼分裂（取g=2），但实验数据显示峰位移动<1μeV（图S12b）
• 面内磁场（Bx=300mT）：预期分裂34.8μeV，实际观测位移仅2.5μeV（图S12c）
• 轨道效应验证：通过调节VS至VS_0+30mV，可激活邻近轨道态（图S12d白箭头处），确认磁场对真实空间波函数的影响

3.3 理论模型初探

这一现象可能源于以下机制：

1. 动态自旋极化屏蔽：磁性杂质与超导电子形成自旋单态，有效抵消外磁场作用
   • 哈密顿量修正项：H_eff = -J∑ S_imp·s_SC（J为交换耦合强度）
2. 强自旋轨道耦合：Rashba型SOC导致动量依赖的有效磁场
   • 特征能量：E_SOC ≈ αk_F（α≈300meV·Å）
3. 多体关联效应：Kondo屏蔽与超导能隙的竞争导致能级重整化

通过对比不同VS下的数据，我们发现塞曼抑制效应仅在特定势垒高度出现，表明界面处的静电调控可能改变了杂质与超导体的耦合方式。

4. 关键影响因素与参数优化

4.1 势垒电压VS的调控作用

VS的变化直接影响杂质态与超导体的耦合强度：

• 常规VS_0：显示正常塞曼分裂（见主文本数据）
• VS_0+30mV：出现邻近轨道耦合（图S12d）
• VS_0+180mV：塞曼分裂完全抑制

这一现象暗示着VS可能通过以下途径影响系统：

1. 改变杂质局域势的穿透深度
2. 调节超导序参数的空间分布
3. 影响自旋轨道耦合的有效强度

4.2 磁场方向敏感性分析

通过三维矢量磁场扫描（图S13），我们发现：

• zx平面偏差1.2°时，临界电流变化37.5-37.8nA
• zy平面偏差-0.3°时，电流波动<0.1nA
• 角度分辨率可达0.1°

注意事项：实际测量中需补偿剩磁场（通常<0.5mT），特别是当研究μeV量级能移时，地磁场（≈50μT）也会引入系统误差。

5. 实验挑战与解决方案

5.1 信号稳定性控制

在毫开尔文温度下，主要噪声源包括：

1. 机械振动：采用气浮光学平台+主动隔振系统
2. 热涨落：所有导线经过低温滤波（π型RC滤波器，截止频率1kHz）
3. 电荷噪声：使用紫外光处理的SiO₂介电层，降低1/f噪声

5.2 数据采集策略

为捕捉瞬态量子态：

• 采用"飞点扫描"模式：每个(VSD, VP)点停留时间<50ms
• 同步记录DC电流与AC微分电导（f_mod=17.777Hz）
• 实施实时漂移校正：每10分钟采集一次基准点（VP=3.80V）

5.3 常见问题排查

实际测量中遇到的典型问题及解决方法：

6. 潜在应用与延伸研究

6.1 拓扑量子计算接口

塞曼分裂抑制的YSR态可能具备以下优势：

1. 磁场鲁棒性：比特操作无需严格零磁场
2. 相干时间延长：减少自旋弛豫通道
3. 电控灵活性：通过栅压调节耦合强度

6.2 新型自旋器件设计

基于此效应可构建：

• 磁场不敏感的自旋滤波器
• 电控自旋转换器
• 拓扑量子比特的读取通道

6.3 待解问题与展望

下一步研究将聚焦于：

1. 微观机理确认：结合STM谱学与理论计算
2. 参数空间拓展：探索更高磁场(>1T)下的行为
3. 动态调控实验：纳秒级脉冲门控技术

在最近一次重复实验中，我们偶然发现当VP调至3.855V时，系统对微波光子表现出异常敏感的响应——这或许暗示着该参数点附近存在未被发现的集体激发模式。这个意外发现让我意识到，在强关联量子体系中，实验细节的偶然性往往蕴含着新的物理机遇。