2月2日，《物理评论快报》（Physical Review Letters）在线刊发了付英双教授领导低维物理与量子材料实验室团队的最新研究成果，论文题为《Dynamical superconducting parity effect in a Coulomb Pb island》（库仑铅岛中的动态超导奇偶效应），并被遴选为编辑推荐（Editors’ Suggestion）亮点论文。304永利集团为第一单位，张文号副教授为第一作者，付英双教授和中国科学技术大学何骏教授为共同通讯作者。304永利集团博士毕业生廖心（2019级）和夏惠南（2017级）做出了重要贡献，材料公司翟天佑教授和日本理化研究所Naoto Nagaosa教授也参与了有益的讨论。
超导宇称效应(Superconducting Parity Effect, SPE)是指在受限超导系统中，电子总数的奇偶性对超导态产生的影响，这一现象在基础物理研究和量子相干电子学中具有重要意义。传统SPE表现为库仑峰间距的偶-奇调制，即当库仑能(EC)大于超导能隙(Δ)时，呈现交替的EC + 2Δ和EC - 2Δ的库仑峰间距。然而，超导库仑岛中准粒子动力学与库珀对凝聚态相干性之间的相互作用机制仍不完全清楚，特别是在单电子隧穿水平上库仑阻塞如何与超导配对相互作用的问题尚未解决。
本研究在Pb纳米岛（100-500 nm²）中发现了动态超导奇偶效应。如图1所示，实验观察到两种截然不同的库仑阻塞谱：Type-1谱在费米能级（EF）附近呈现外层EC + 2Δ和内层EC - 2Δ的库仑峰，而Type-2谱仅显示EC + 2Δ的库仑间隙。两种类型出现比例接近1:1；且在EF附近均呈现EC + 2Δ的库仑间隙，这与传统SPE的交替峰间距特征显著不同。通过空间分辨谱学测量，在Pb岛边界观察到库仑电荷环特征，源于针尖-岛电容在边缘处变化导致残余电荷Q0改变。电荷环内外谱学特征从Type-1到Type-2发生转变，直接证实内层EC -2Δ峰的存在与否由电子数n的奇偶性决定。通过调节针尖-样品距离，实现了从库仑阻塞到库仑阶梯的演化过程，发现Type-1和Type-2谱的EC ± 2Δ特征在各种隧穿条件下均保持不变，证明此现象源于单电子隧穿而非共隧穿过程。
图1：超导纳米岛中库伦充电能的与电子占据数的奇偶相关
研究团队将正统理论扩展到超导岛体系。理论分析表明：如图2所示，当n为偶数时，仅存在常规隧穿过程，形成EC + 2Δ的库仑间隙；当n为奇数时，除常规隧穿外，还存在特殊通道：未配对电子（+Δ态）可与-Δ态电子形成库珀对，留下空穴参与隧穿，这一电子-空穴转换过程使内层EC - 2Δ峰得以出现。该过程本质是准粒子动力学介导的库珀对形成过程。
图2：动态超导奇偶效应的库珀对隧穿机制
这些发现揭示了准粒子介导的库珀对形成在库仑阻塞输运中的关键作用，为理解超导纳米结构中的非平衡量子动力学提供了新视角，对开发基于奇偶态的量子器件和探索拓扑超导相具有重要意义。
该研究得到了国家重点研究发展计划、国家自然科学基金等项目的资助。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/fsgy-61v9
