基于超导岛-双量子点杂化结构的异质安德烈夫分子：拓扑量子计算的新合成平台

《Nano Letters》：Heteroatomic Andreev Molecule in a Superconducting Island–Double Quantum Dot Hybrid

这篇综述（研究论文）实验性演示并深入探讨了一种新颖的合成量子态——“异质安德烈夫分子”，它由一个尺寸受限的超导岛（SCI）与两个正常量子点（QD）耦合而成。文章揭示了SCI中单个未配对准粒子如何与两个QD的电子自旋协同，形成能量更低的三电子束缚态，并通过电栅压实现了从反铁磁到铁磁交换耦合的量子相变。这项研究为构建可控的拓扑超导材料与量子硬件（如Kitaev链）提供了可扩展的合成分子单元，避免了传统相位调控的复杂性，是迈向可编程拓扑量子电路的重要一步。

　　

在凝聚态物理与量子信息科学的前沿，拓扑超导材料因其受拓扑保护的马约拉纳零能模而成为实现容错量子计算的理想平台。然而，在传统体相材料中实现和操控这些拓扑态面临巨大挑战。近年来，由人造原子（如量子点）通过超导关联耦合形成的“安德烈夫分子”为合成拓扑超导材料开辟了全新路径。本工作聚焦于一种全新的架构——异质安德烈夫分子，其独特之处在于，作为连接媒介的不是传统的体相超导体，而是一个具有显著库仑排斥效应的有限尺寸超导岛。

核心实验器件与表征

研究团队在平行排列的砷化铟纳米线上构建了核心器件。两条纳米线的中间部分被一层外延铝连接，形成一个长约700纳米的超导岛，而左右两侧的半导体段则通过栅极限定出两个独立的量子点，分别标记为红色量子点和绿色量子点。通过四个独立的电极，可以对SCI和两个QD进行独立的电学输运测量，实验在40mK的极低温下进行。

首先，研究人员对孤立的SCI进行了表征。与体相超导体不同，有限尺寸SCI的能谱由配对强度（有效超导能隙Δ）与库仑充电能U的比值决定。当Δ < U时，SCI的基态不仅允许偶数个电子占据，也允许出现带有一个未配对准粒子的奇数次占据态。这表现为库仑阻塞谱中，奇数与偶数次占据的库仑菱形宽度S_o和S_e交替出现，即所谓的“奇偶效应”，其比值S_o/S_e= (U - Δ)/(U + Δ)。通过有限偏压谱，实验测得U ≈ 85 μeV，Δ ≈ 75 μeV，此时SCI处于接近2e周期性充电的极限状态。

从独立YSR态到异质安德烈夫分子

研究的核心是探索SCI与两个QD的相互作用。通过固定一个QD的占据态，扫描另一个QD和SCI的栅压，可以获得双量子点特征的蜂窝状稳定性相图。通过分析SCI共振峰的间距变化，可以推断出不同电子构型下的激发能。

当两个QD均处于偶数占据时，SCI表现出接近2e的充电行为，没有形成亚能隙态。当其中一个QD（例如绿色QD）被调到单电子占据时，SCI的共振发生分裂，出现清晰的奇偶效应，其奇数态间距S_o^'(R)减小。这标志着一个“库仑辅助的Yu-Shiba-Rusinov单重态”的形成，即SCI中的一个准粒子与绿色QD中的一个电子紧密结合，构成一个二体的YSR束缚态，其能量E_R低于Δ。类似地，当红色QD单占据而绿色QD偶占据时，会形成另一个YSR态，能量为E_L。

最关键的证据出现在当两个QD都处于单电子占据时。此时，SCI奇数占据态的稳定性区域显著扩大，对应的间距S_o^''大于任何一个独立YSR态的奇数态间距。这意味着此时系统的基态能量E_HAM低于E_L和E_R。实验测得E_L≈ 32 μeV, E_R≈ 27 μeV, 而E_HAM≈ 17 μeV。这种额外的能量降低被解释为红色和绿色YSR态通过共享SCI中的同一个未配对准粒子而发生杂化，形成了一个三电子的束缚态，即“异质安德烈夫分子”。这好比一个H₂O分子，其中氧原子（SCI）与两个氢原子（QD）通过共享电子紧密结合。

理论与模拟验证

为了确认这一物理图像，研究团队构建了简单的“混合轨道安德森模型”进行模拟，并采用了更精确的密度矩阵重正化群进行计算。模拟结果成功复现了实验中观察到的稳定性相图特征以及S_o^''> S_o^'(R)> S_o^'(L)的主要趋势，计算得到的结合能与实验值吻合良好。

DMRG计算进一步揭示，两个YSR态的杂化强度与其在SCI轨道上的波函数重叠参数L密切相关。当L较大时，杂化显著，E_HAM明显降低。实验数据对应的L ≈ 0.55，表明系统中存在显著的重叠。此外，DMRG计算还预测了SCI介导的QD间自旋关联。在|o, e, o>构型下，两个QD的自旋呈现反铁磁关联；而在异质安德烈夫分子对应的|o, o, o>构型下，关联则转变为弱铁磁性。这是一种通过SCI实现的“超交换”作用，并且通过栅极控制SCI的奇偶性，可以实现从反铁磁到铁磁交换的量子相变。

研究意义与展望

本工作首次在实验上实现了基于超导岛-双量子点杂化结构的异质安德烈夫分子。该分子态具有高度可调性，仅通过电栅压即可操控其形成与自旋耦合性质，无需复杂的磁通偏置来调控超导相位。这种稳健且可调谐的杂化态，为构建更长的、可用于拓扑量子电路的合成超导链（如Kitaev链）提供了关键的分子单元。通过将多个SCI-QD模块聚合，有望实现一维拓扑超导系统，为马约拉纳零能模的编织操作和拓扑量子计算开辟新的实验途径。