隧穿安德烈夫反射谱通过可调隧穿结解耦安德烈夫电流与准粒子电流以实现超导体指纹识别

《Small》：Fingerprinting Superconductors by Disentangling Andreev and Quasiparticle Currents Across Tunable Tunnel Junctions

　　

隧穿安德烈夫反射（Tunneling Andreev Reflection，TAR）谱为在原子尺度识别超导配对对称性提供了新途径。利用原子级超导输运模拟，研究人员揭示了TAR可区分配对对称性的机制，该机制是对传统基于电导技术的补充。特别地，由于超额隧穿衰减率（excess tunneling decay rate）的可加性，TAR谱是准粒子电流、安德烈夫反射以及高阶散射过程贡献的加权平均，其相对权重取决于超导序参量与耦合强度。在局域隧穿模型下，对于s波超导体，TAR主导能隙内电导；对于d波超导体，TAR被抑制；而对于变号对称性，若超导能隙的期望值保持有限，则TAR与准粒子隧穿共存。同时，当法向电导GN超过约0.1G0时，高阶过程通常会增强TAR信号。因此，TAR提供了底层配对对称性与电子结构的丰富谱学指纹，可实现非常规超导态的原子分辨率识别。

研究背景方面，配对对称性是理解超导体的关键，并能揭示拓扑超导等奇异现象。μ子自旋弛豫（μ SR）、准粒子干涉成像、点接触安德烈夫反射（PCAR）等技术虽有重要贡献，但对新材料序参量对称性的确定仍具挑战且常存争议，尤其对不均匀超导体和超导界面，高空间分辨率的互补直接方法需求迫切。传统PCAR以超额电导间接探测金属—超导体结中的安德烈夫反射，而安德烈夫电流对隧穿耦合的强依赖通常被视为不利因素。TAR则利用扫描隧道显微镜（STM）在近原子尺度测量不同隧穿耦合下的电流，通过超导态与正常态幂律指数差异直接解耦安德烈夫与电子隧穿分量，可在任意小接触透明度工作。理解TAR中α谱形的决定因素及其在非常规超导体中的特征，是本文研究动机。

该论文发表于《Small》。研究人员建立基于直接求解安德烈夫反射与电子隧穿的定量解释框架，采用广义紧束缚模型描述正常金属针尖与二维超导衬底，通过Nambu非平衡格林函数与嵌入格林函数精确计算输运；将散射矩阵分解为单电子透射与双电子透射（安德烈夫反射），定义衰减率α=d ln G/d ln G_N，并证明总α是准粒子与安德烈夫通道电导的加权平均（平行电路）。关键技术方法上，作者使用正常金属针尖—超导衬底紧束缚哈密顿量、长程跳跃构造单/多费米面、包含s波/扩展s波/d波序参量；以随针尖—样品距离指数变化的跃迁矩阵元模拟隧穿结；用Nambu非平衡格林函数计算电导并分解通道；借BTK理论多项式展开分析近接触区高阶项；样本为模型化FeSe双费米面体系而非实验材料队列。

研究结果如下。1 Introduction部分指出，TAR通过耦合依赖电流分离安德烈夫与准粒子分量；s波中α=2反映电子与回反射空穴各一次隧穿，但α可偏离2，变号对称性谱形复杂，具备指纹识别潜力。2 Methods部分给出模型与分解公式，说明α在弱耦合提取幂次、强耦合标示高阶展开；总衰减率α满足可加性方程，电子与安德烈夫衰减率可分别定义，实验以上能隙电导代理耦合强度。3 Results and Discussion部分先以s波超导体显示：0 K时能隙内无准粒子电流，电导全来自安德烈夫反射；能隙外安德烈夫与准粒子共存但安德烈夫随能量和耦合快速衰减；α谱呈1到2过渡。近接触区G_N接近0.1G₀时，高阶多次反射使中能隙α可达4，BTK多项式拟合证实低阶项主导弱耦合、高阶项在近接触窗增强。对d波超导体，布里渊区序参量变号导致能隙期望值?Δ?=0，安德烈夫电流可忽略，α≈1；近接触区仅因能隙内态密度下降产生高阶隧穿效应，α增至约1.5且呈与电导能隙“反相”峰，成为有限角动量配对的试金石。对扩展s波（s±）双费米面体系，?Δ?与|Δ|均有限，安德烈夫电流在内能隙持续，α≥2；两能隙之间安德烈夫与准粒子竞争，α在1到1.5间过渡；这印证安德烈夫反射可行性正比于动量平均能隙。有限温度下热激发准粒子与安德烈夫竞争，但近接触高阶项使TAR信号存续至近临界温度，如Pb中观测所示。

讨论部分总结：α可加性使各通道与温度项可在平行电路框架定量处理；G_N超过0.1G₀后高阶过程同时改变安德烈夫与隧穿α谱，即便d波无TAR也能给出能隙签名；TAR谱是比传统电导谱更丰富的对称性指纹。结论部分翻译为：研究人员阐明了TAR谱学的起源与变化规律，展示隧穿安德烈夫电流如何依赖于超导能隙对称性与金属—超导体耦合强度。在所考察的局域结模型中，TAR概率由矩阵元加权的反常响应控制；对动量无关针尖—表面耦合，该响应最低阶正比于动量平均超导能隙。0 K下s波中安德烈夫反射单独决定能隙内电导，d波序下完全被抑制，s±对称中保持有限但与准粒子隧穿随能量竞争。相对衰减率α可加，使所有贡献可在平行电路框架定量解释。当电导超过0.1G₀时，安德烈夫反射与隧穿均出现高阶效应，显著改变α谱，并为d波在无TAR时仍提供能隙特征。α谱因而成为区别于传统电导谱的配对对称性指纹。未来可拓展至真实能带、多通道结、拓扑与磁性体系；竞争电流的可量化与α谱学有望在原子尺度识别奇异量子态。