无序超导体中局域化准粒子的声子散射主导复合机制及其对量子器件性能的调控

本刊推荐：为解决无序超导体中准粒子弛豫机制不明的难题，Steven A.H. de Rooij团队通过微波谐振器测量β-Ta薄膜的准粒子涨落，发现声子散射时间主导复合过程（τscat）。该研究揭示了局域化准粒子通过声子吸收离域后快速复合的新机制，突破了传统BCS理论框架，为高阻抗量子电路设计和非平衡准粒子调控提供了关键理论依据。

　　

在超导量子计算和单光子探测领域，无序超导体因其高动能电感（L_k）和片电阻成为实现高阻抗量子电路和保护性量子比特的重要材料体系。然而，这些器件的性能长期受到准粒子（quasiparticle）——超导体的基本激发态——的严重制约。实验表明无序性会显著改变准粒子弛豫行为，但微观机制始终未被阐明。更棘手的是，在高度无序的超导体（如颗粒铝）中，低温下准粒子弛豫时间可达秒量级，而电磁辐射激发时又会出现反常响应，这些现象均与传统BCS理论预测相悖。

针对这一难题，荷兰空间研究所（SRON）与代尔夫特理工大学联合团队在《Nature Communications》发表了突破性研究。他们选择具有强无序特性的β-Ta薄膜（k_Fl≈1，ql?1）作为研究对象，将其图案化为微波谐振器的电感元件，通过高精度微波传输测量技术，首次揭示了声子散射时间主导准粒子复合的物理机制。

研究团队采用多项关键技术：1）制备悬浮式SiN膜结构谐振器与固态基底对照样品，通过背蚀刻技术实现声子囚禁效应调控；2）搭建极低温（20-300 mK）同调微波测量系统，采集复电导涨落功率谱；3）基于Mattis-Bardeen理论计算复电导对准粒子密度的响应函数；4）结合电子-声子相互作用 disordered limit 理论模型进行参数拟合；5）通过霍尔测量和上临界场测试表征薄膜的正常态电阻率ρ_N、扩散常数D等关键参数。

Fluctuation measurements

通过分析复电导涨落谱的洛伦兹特性，团队提取出准粒子弛豫时间τ和方差s2。关键发现是：无论样品采用声子囚禁膜结构还是固态基底，弛豫时间均呈现声子散射特征的温度幂律关系（τ∝T^-n，n=7/2-9/2），而非传统复合理论预测的指数关系。

Phonon scattering limited quasiparticle relaxation

测量数据显示τ与声子散射时间τ_scat/2高度吻合，且方差符合复合事件特征。这表明准粒子弛豫由声子吸收过程主导，而非传统BCS理论中的直接复合。特别值得注意的是，声子囚禁效应对弛豫时间无影响，说明发射声子能量低于2Δ₀，难以引发Cooper对拆解。

Recombination of localized quasiparticles

研究团队提出创新理论模型：无序性导致能隙不均匀形成局域化态，准粒子首先被捕获在局域化态中，通过吸收热声子离域后快速就地复合。该模型成功解释了三个关键现象：1）弛豫时间由声子吸收速率决定；2）就地复合发射低声能声子避免囚禁效应；3）局域化态密度n?_qp^loc≈8.5×102 μm^-3与热准粒子密度交叉点与实验数据吻合。

研究结论深刻揭示了无序超导体中准粒子动力学的普适规律：当热准粒子密度低于局域化态密度时（T<178 mK），复合过程由声子散射主导；在极低温条件下，局域化准粒子可能引起微波损耗增加。该理论成功统一了TiN、Al等多种无序超导体的异常弛豫现象，绘制出完整的相图框架。

这项研究不仅解决了长期困扰领域的机理争议，更为量子器件设计提供了关键指导：一方面，短弛豫时间有利于消除量子比特处的过剩准粒子；另一方面，局域化准粒子背景可能限制探测器响应速度。团队开发的涨落测量方法论为超导非平衡态研究建立了新范式，对开发高性能量子电路和辐射探测器具有重要实践意义。