基于石墨烯的多端约瑟夫森结中安德列夫能带的隧道光谱研究

为探究多端约瑟夫森结（MTJJ）拓扑特性的实验表现，研究人员对三端石墨烯约瑟夫森结的人工拓扑能带结构展开研究。借助隧道光谱和磁通量门，绘制了安德列夫束缚态（ABS）能谱随两独立相位差的变化，发现其与拓扑不变量相关的带隙态转变，为高维能带拓扑工程提供可能。

　　在量子技术与拓扑凝聚态物理的前沿探索中，约瑟夫森结（JJ）作为核心元件，其安德列夫束缚态（ABS）的调控对超导量子比特、量子传感器等应用至关重要。传统两端约瑟夫森结（2TJJ）中，ABS 难以在零能量处相交，且拓扑不变量关联有限，而多端约瑟夫森结（MTJJ）被认为是实现高维拓扑能带结构的理想平台，却缺乏直接实验证据。在此背景下，一项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究，聚焦三端石墨烯约瑟夫森结（3TJJ）的拓扑能带特性，试图填补实验空白。

为揭开 MTJJ 拓扑特性的实验面纱，研究人员设计了高可调谐的 3TJJ 器件，以石墨烯作为正常散射区域，利用超导隧道探针结合磁通量门技术，系统研究了二维安德列夫能带结构。该研究通过精确控制三个超导终端的相位差（φ_M、φ_L、φ_R），首次在实验中直接观测到 ABS 能谱随相位差的演变规律，为拓扑能带理论提供了关键验证。

研究中采用的核心技术包括：一是隧道光谱技术，用于直接测量 ABS 能谱随相位差的变化；二是磁通量门技术，独立调控超导相位差，实现二维 “相空间” 的全范围扫描；三是随机矩阵理论建模，结合散射矩阵形式，分析多通道传导下的能带特征。此外，器件制备中通过石墨烯 /hBN 封装、短结设计（L/ξ≈0.26）及超导环结构，确保了相位相干性和弹道输运特性。

结果分析

1. 安德列夫能带的理论与实验映射
   通过散射矩阵模型计算发现，当传输概率参数 γ∈[0,1/3) 时，安德列夫能带在零能量处出现 nodal lines（节线），形成线性色散的无隙态。实验测得的微分隧道电导（dI/dV）图谱与理论预测高度吻合，在相空间中清晰呈现节线分隔的拓扑不同带隙区域，对应超导序参量在不可收缩环上的不同缠绕数（n_R,n_L）。
   
   
2. 相位调控与拓扑相变
   改变外部磁通量（Φ_L、Φ_R）可诱导能谱在有隙态与无隙态间转变。例如，当 φ_L=φ_R时，能谱在 φ=±π 附近出现零能量交叉，对应拓扑相变点。理论与实验均表明，节线的存在与拓扑不变量直接相关，验证了 MTJJ 作为拓扑能带工程平台的可行性。
   
   
3. 各向异性耦合与能带退杂化
   通过背栅电压调控石墨烯费米能级，可改变终端间约瑟夫森耦合强度。当中间终端（M）耦合减弱时，3TJJ 退化为类似 2TJJ 的能带结构，表现出 λ 形电导增强和 Φ₀/2 周期性，揭示了多端耦合对能带拓扑的关键影响。
   
   

结论与意义

该研究首次在实验中直接观测到 3TJJ 中安德列夫能带的拓扑特征，证实了节线与拓扑不变量的关联，为高维拓扑能带的人工设计提供了实验范式。结合静电调控实现的多端耦合控制，不仅深化了对 MTJJ 物理机制的理解，也为未来构建超导自旋量子比特、马约拉纳束缚态（MBS）等量子器件奠定了基础。此外，研究提出的随机矩阵理论与实验结合的方法，为复杂多端系统的拓扑表征提供了普适性框架，推动了量子技术与拓扑物理的交叉融合。