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我院半导体量子计算团队在二维InSb纳米片超导量子点研究中取得重要进展

2026/02/10

近日，北京量子信息科学研究院（以下简称 “量子院”）半导体量子计算团队联合北京大学、中国科学院半导体所科研人员取得重要研究进展，在二维InSb纳米片体系中成功制备超导耦合量子点器件，并系统观测到自旋分裂、近藤关联效应、单态–双重态量子相变等一系列关键量子输运现象。该研究为基于平面结构实现拓扑超导与马约拉纳零能模开辟了全新实验平台，也为相关领域的后续探索提供了新思路。2026 年 2 月 9 日，相关研究成果以 “超导体耦合的InSb纳米片量子点中的自旋分裂、近藤关联与单态-双重态量子相变”（Spin Splitting, Kondo Correlation and Singlet-Doublet Quantum Phase Transition in a Superconductor-Coupled InSb Nanosheet Quantum Dot）为题，发表于《纳米快报》（Nano Letters）。

量子点与超导体耦合的混合体系是发展拓扑量子计算芯片的重要组成部分。InSb材料由于具有小有效质量、大g因子以及强自旋–轨道耦合，被认为是实现拓扑超导态的理想候选体系。相较于传统的一维纳米线结构，二维InSb纳米片在器件几何构型和相位调控方面更具灵活性，但在其中实现高质量的超导耦合量子点一直面临材料生长与器件加工方面的挑战。

研究团队创新性地采用预制双层精细栅极结构，在InSb纳米片下方预先定义出量子点，并在其上方直接沉积超导电极（图1），从而避免多次加工对材料界面质量的影响。通过低温输运谱测量，研究人员清晰观测到库仑阻塞效应及其奇偶电子数交替特征，并测得量子点具有与一维InSb体系相当的大g因子和显著的自旋–轨道耦合强度。

进一步研究表明，在奇数电子占据条件下，器件中出现典型的近藤共振峰，其随磁场分裂并在升温时呈现对数抑制行为（图2）；同时，通过调控量子点与超导电极之间的耦合强度，团队成员在Andreev束缚态谱中直接捕捉到由零能交叉向反交叉转变的过程，对应于量子点约瑟夫森结中的单态–双重态量子相变（图3）。这些结果揭示了亚能隙束缚态在介观超导器件输运性质中的关键作用。

该成果展示了二维InSb纳米片作为研究拓扑量子物理和构筑新型量子器件平台的巨大潜力，也为未来在平面结构中实现可扩展的拓扑量子计算体系奠定了重要实验基础。


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图1 InSb纳米片量子点约瑟夫森结器件的SEM图及对应的能谱示意图


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图2 （a）零磁场下，奇数电子占据的库伦菱形图。（b）对应于（a）中零偏压下的近藤脊。（c）在面内磁场B=0.3T时测量的电荷库伦菱形图。（d）近藤效应随面内磁场的变化情况。虚线表示 B＞0.05T时差分电导最大值的线性拟合，用于提取有效g因子。（e）近藤峰随温度的变化。（f）在同一个库伦菱形内不同栅极电压下的近藤峰电导值随温度T的变化，用于提取近藤温度。


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图3 (a)超导耦合量子点的相图。(b)安德列夫束缚态谱学测量示意图。(c)在源漏偏置电压Vsd=17.5μV、左侧势垒栅电压VLB固定为-0.2V时，源漏电流随栅电压VPG和右侧势垒栅电压VRB的变化关系。(d)沿图(c)中四个不同取值的切面得到的电压偏置谱。黑色虚线为两条安德列夫束缚态共振峰交叉行为的辅助参考线。


该论文第一作者为量子院助理研究员吴幸军，通讯作者为中国科学院半导体所研究员潘东、量子院助理研究员吴幸军和量子院首席科学家徐洪起教授，合作者还包括量子院副研究员王积银、博士后苏海天、博士后高涵、助理研究员颜世莉和副研究员张泼，以及中国科学院半导体所研究员赵建华。该工作得到了国家自然科学基金项目的支持。


原文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.5c05731