超導(dǎo)體中的磁性雜質(zhì)可引起庫伯對的散射，從而在能隙中形成Yu-Shiba-Rusinov（YSR）束縛態(tài)。理論上，關(guān)于這些束縛態(tài)的描述通常是基于經(jīng)典自旋模型。實驗上，研究自旋的量子特性對YSR束縛態(tài)的影響至關(guān)重要，有助于更好地探討YSR束縛態(tài)中的量子多體問題，并對目前利用YSR束縛態(tài)構(gòu)建新型拓撲超導(dǎo)態(tài)具有積極意義。

近日，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所納米真空互聯(lián)實驗站研究員李坊森等聯(lián)合清華大學(xué)物理系宋燦立、馬旭村和薛其坤研究團隊，在單晶富勒烯超導(dǎo)薄膜K₃C₆₀表面制備了自旋分別為S=5/2,S=2和S=1的三種磁性原子Fe、Cr和Ni，并利用高分辨極低溫的掃描隧道顯微譜對它們誘導(dǎo)的YSR束縛態(tài)的磁場響應(yīng)和空間分布進行實驗研究?？蒲腥藛T觀察到這些量子自旋由于磁晶各向異性導(dǎo)致的YSR多重態(tài)，并發(fā)現(xiàn)這些YSR多重態(tài)具有相同的空間分布，屬于量子自旋誘導(dǎo)YSR束縛態(tài)的典型特征。同時，通過研究這些YSR束縛態(tài)在外加磁場下的響應(yīng)行為，科研人員厘清了這些高自旋磁性原子的量子基態(tài)，并在實驗上觀察到Ni原子由單軸磁各向異性符號改變所誘導(dǎo)的宇稱守恒的量子相變。該實驗澄清了量子自旋的磁各向異性與YSR多重態(tài)之間的關(guān)系，為探究YSR束縛態(tài)中的量子行為奠定了實驗基礎(chǔ)。該成果有望為發(fā)展基于YSR束縛態(tài)的拓撲超導(dǎo)理論提供實驗參考和指南。

相關(guān)研究成果以Quantum spin driven Yu-Shiba-Rusinov multiplets and fermion-parity-preserving phase transition?in K₃C₆₀為題發(fā)表在《科學(xué)通報》（Science?Bulletin）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、蘇州市基礎(chǔ)研究試點項目以及蘇州納米所納米真空互聯(lián)實驗站等的支持。

論文鏈接

Fe原子在K₃C₆₀超導(dǎo)薄膜中誘導(dǎo)的YSR多重態(tài)（左）以及它們的空間分布（右）