手性超导Bi/Ni双层器件中量子通量到半量子通量的交叉现象观测及其在量子器件中的应用

研究人员针对拓扑超导体在量子计算等领域的应用需求，开展了Bi/Ni双层手性超导器件研究。通过环形器件中的电阻振荡实验，首次观测到由小磁场诱导的量子通量(QF)到半量子通量(HQF)的交叉现象，证实了Bi/Ni具有非常规超导性(内部自由度)。该发现为基于拓扑超导体的量子器件(如Majorana费米子器件)提供了新的相位调控原理。

　　

在量子计算和拓扑量子器件的研发浪潮中，寻找具有特殊性质的新型超导材料成为关键。传统超导体如Nb等s波超导体虽然性能稳定，但缺乏内部自由度，难以实现更复杂的量子态调控。而某些非常规超导体如手性p波超导体，因其特殊的自旋三重态配对和拓扑特性，被认为是实现Majorana费米子的理想平台。然而，这类材料大多以体材料形式存在，难以加工成纳米器件，严重制约了实际应用。

Bi/Ni双层薄膜因其独特的界面效应和可能的非常规超导性引起了研究者关注。前期研究表明，这种材料在4.2K以下会自发破缺时间反演对称性，表现出手性超导特征。但如何在其纳米器件中直接证实这种非常规超导性，并开发相应的调控手段，仍是悬而未决的关键问题。

研究人员在《SCIENCE ADVANCES》发表的工作中，通过精巧设计的环形器件实验，首次观测到了Bi/Ni双层中量子通量(QF)到半量子通量(HQF)的交叉现象。他们采用分子束外延(MBE)制备高质量Bi(35nm)/Ni(2nm)双层薄膜，通过电子束光刻和Ar离子刻蚀制备微米级环形器件。实验采用四端法测量，结合交流锁相技术精确测量电阻振荡，并以Nb环形器件作为对照。通过精确控制温度(2.47K≈0.6T_c)和测量电流I_m≈I_c，成功捕捉到了电阻振荡的相位变化。

在结果部分，"Abstract"和"INTRODUCTION"指出，Bi/Ni双层是具有时间反演对称性破缺的薄膜手性超导体候选材料。通过环形器件中的Little-Parks(LP)振荡实验，可以探测其超导序参量的内部自由度。

"RESULTS"部分详细展示了实验发现：(1)在低场区(μ₀H≈8mT以下)，Bi/Ni环形器件表现出常规的QF型振荡，即电阻极小值出现在整数倍磁通量子Φ=nΦ₀处；(2)超过临界场H后，振荡相位突然偏移π，转变为HQF型振荡，极小值出现在半整数倍磁通量子Φ=(n+1/2)Φ₀处；(3)这种交叉现象在多个器件中可重复，且只在T≈0.6T_c时出现，在更高温度(0.9T_c)下消失；(4)对照实验显示，多晶Bi/Ni和Nb/Ni器件均未出现类似现象。

"DISCUSSION"部分深入分析了机制：(1)排除了Ni层杂散场和磁通涡旋等常规解释；(2)提出自旋三重态超导环中的自旋纹理(spin texture)是根本原因，在有限自旋轨道耦合和偏置电流作用下，d矢量的空间分布会随外场变化；(3)低场区d矢量均匀分布导致QF振荡，高场区d矢量非均匀分布导致HQF振荡；(4)理论计算再现了实验观察到的交叉现象。

这项研究的突破性在于：(1)首次在薄膜器件中实现了可调控的QF-HQF交叉，为Bi/Ni的非常规超导性提供了确凿证据；(2)阐明了自旋纹理在外场调控中的作用机制；(3)开发出仅需8mT小磁场即可实现π相位调制的技术方案，为拓扑超导量子电路的设计提供了新思路。该成果不仅推动了手性超导体的基础研究，也为未来开发基于Majorana费米子的量子计算器件奠定了重要基础。