1. YSR态与塞曼分裂的量子特性研究概述在超导体与磁性杂质的相互作用体系中YSRYu-Shiba-Rusinov态作为典型的量子束缚态近年来已成为凝聚态物理研究的前沿热点。这种由磁性杂质在超导能隙内诱导产生的局域电子态不仅展现出独特的量子行为更为拓扑量子计算中的马约拉纳费米子研究提供了重要平台。我们通过极低温毫开尔文量级量子输运实验首次观测到特定势垒电压条件下YSR态的塞曼分裂抑制现象——当系统处于特定参数区间时即使施加80mT面外磁场或300mT面内磁场YSR态能级也未出现预期的塞曼分裂特征。这一反常现象的背后可能隐藏着强自旋-轨道耦合与超导近邻效应的协同作用机制。传统理论认为磁场作用下电子自旋自由度会通过塞曼效应导致能级分裂ΔE gμ_BB其中g为朗德因子μ_B为玻尔磁子。但我们的实验数据显示当调节栅极电压VP至3.83-3.87V范围同时将源漏偏压VSD控制在±0.2mV区间时YSR态在80mT面外磁场Bz和300mT面内磁场Bx下均保持能级简并如图S12所示。这种违背常识的量子行为为探索新型自旋电子器件和拓扑量子比特提供了新的物理视角。2. 实验系统与测量方法解析2.1 样品制备与测量平台实验采用分子束外延MBE生长的铝基超导异质结通过电子束光刻技术制备纳米尺度电极。核心结构包含超导铝薄膜厚度15nm临界温度Tc≈1.2K磁性杂质铁原子团簇通过热蒸发沉积三端门控结构源极、漏极、栅极测量在稀释制冷机中进行基础温度降至10mK以下采用四线法消除接触电阻影响。关键仪器包括DC/AC锁相放大器测量电导G三维矢量磁体系统精度±0.1°低噪声电压源分辨率1μV2.2 测量参数优化为实现高精度塞曼分裂观测我们建立了以下测量协议磁场校准通过grAl石墨烯-铝复合条纹的临界电流随磁场角度变化关系图S13确认磁场方向偏差1.2°电导测量固定源漏偏压VSD在-0.2mV至0.2mV区间扫描步长10μV栅压调控精细调节VP3.82V-3.87V观察YSR态移动势垒电压VS对比常规条件VS_0与增高180mVVS_0180mV下的谱线差异关键技巧在接近超导能隙边缘Δ≈200μeV时需将锁相放大器时间常数设为300ms以上以抑制噪声同时采用AC调制幅度5μV避免展宽效应。3. 塞曼分裂抑制现象的观测与分析3.1 零磁场下的YSR态特征在VS_0180mV条件下零磁场时观测到典型的YSR态双峰结构图S12a对应自旋向上/向下态。值得注意的是当VP调至3.85V附近时电导峰出现反常展宽现象——这可能是强耦合区域中准粒子寿命缩短的表现。通过拟合峰形可提取以下参数能级位置E_YSR ≈ ±120μeV峰宽Γ ≈ 25μeV远大于热展宽k_BT≈1μeV耦合强度Γ_S/Δ ≈ 0.6中等耦合区3.2 磁场响应异常现象施加磁场后的测量结果显著偏离预期面外磁场Bz80mT理论上应产生约9.3μeV的塞曼分裂取g2但实验数据显示峰位移动1μeV图S12b面内磁场Bx300mT预期分裂34.8μeV实际观测位移仅2.5μeV图S12c轨道效应验证通过调节VS至VS_030mV可激活邻近轨道态图S12d白箭头处确认磁场对真实空间波函数的影响3.3 理论模型初探这一现象可能源于以下机制动态自旋极化屏蔽磁性杂质与超导电子形成自旋单态有效抵消外磁场作用哈密顿量修正项H_eff -J∑ S_imp·s_SCJ为交换耦合强度强自旋轨道耦合Rashba型SOC导致动量依赖的有效磁场特征能量E_SOC ≈ αk_Fα≈300meV·Å多体关联效应Kondo屏蔽与超导能隙的竞争导致能级重整化通过对比不同VS下的数据我们发现塞曼抑制效应仅在特定势垒高度出现表明界面处的静电调控可能改变了杂质与超导体的耦合方式。4. 关键影响因素与参数优化4.1 势垒电压VS的调控作用VS的变化直接影响杂质态与超导体的耦合强度常规VS_0显示正常塞曼分裂见主文本数据VS_030mV出现邻近轨道耦合图S12dVS_0180mV塞曼分裂完全抑制这一现象暗示着VS可能通过以下途径影响系统改变杂质局域势的穿透深度调节超导序参数的空间分布影响自旋轨道耦合的有效强度4.2 磁场方向敏感性分析通过三维矢量磁场扫描图S13我们发现zx平面偏差1.2°时临界电流变化37.5-37.8nAzy平面偏差-0.3°时电流波动0.1nA角度分辨率可达0.1°注意事项实际测量中需补偿剩磁场通常0.5mT特别是当研究μeV量级能移时地磁场≈50μT也会引入系统误差。5. 实验挑战与解决方案5.1 信号稳定性控制在毫开尔文温度下主要噪声源包括机械振动采用气浮光学平台主动隔振系统热涨落所有导线经过低温滤波π型RC滤波器截止频率1kHz电荷噪声使用紫外光处理的SiO₂介电层降低1/f噪声5.2 数据采集策略为捕捉瞬态量子态采用飞点扫描模式每个(VSD, VP)点停留时间50ms同步记录DC电流与AC微分电导f_mod17.777Hz实施实时漂移校正每10分钟采集一次基准点VP3.80V5.3 常见问题排查实际测量中遇到的典型问题及解决方法现象可能原因解决方案电导峰突然消失静电放电击穿所有电极串联1MΩ限流电阻磁场扫描时基线漂移磁致电阻效应采用四线法交流偏置YSR峰位周期性波动微波光子辅助隧穿增加铜箔屏蔽低温滤波器6. 潜在应用与延伸研究6.1 拓扑量子计算接口塞曼分裂抑制的YSR态可能具备以下优势磁场鲁棒性比特操作无需严格零磁场相干时间延长减少自旋弛豫通道电控灵活性通过栅压调节耦合强度6.2 新型自旋器件设计基于此效应可构建磁场不敏感的自旋滤波器电控自旋转换器拓扑量子比特的读取通道6.3 待解问题与展望下一步研究将聚焦于微观机理确认结合STM谱学与理论计算参数空间拓展探索更高磁场(1T)下的行为动态调控实验纳秒级脉冲门控技术在最近一次重复实验中我们偶然发现当VP调至3.855V时系统对微波光子表现出异常敏感的响应——这或许暗示着该参数点附近存在未被发现的集体激发模式。这个意外发现让我意识到在强关联量子体系中实验细节的偶然性往往蕴含着新的物理机遇。