上海交通大学李政道研究所、物理与天文学院的郑浩、贾金锋团队联合南洋理工大学等学校的合作者实现了单原子尺度的混合价区量子相变调控与观测。团队使用稀释制冷扫描隧道显微镜（STM），借助针尖诱导能带弯曲（TIBB）效应，在Bi₂Te₃/NbSe₂异质结中连续调控单个Fe杂质的能级与电荷态，首次将体系驱动至混合价区，并观测到Yu-Shiba-Rusinov（YSR）态随掺杂能级移动连续演化，以及完整量子相变过程。相关成果以“Atomic-scale visualization of quantum phase transition in the mixed-valence regime”为题于2026年10月30日发表于Physical Review Letters。

研究背景

在半导体的STM研究中，由于其较低的电荷浓度无法完全屏蔽STM针尖产生的电场，会存在显著的TIBB效应。该效应应用到单个杂质的研究时，可以起到栅极电压的作用，能够连续调控单个杂质的能级，甚至可以使其跨越半导体的费米面能级，从而调控单个杂质的带电状态。这实现了单原子尺度的单电子晶体管。在超导体中，该效应是否存在一直没有定论。

实验设计与核心发现

研究团队在超导NbSe₂衬底上通过分子束外延生长4层Bi₂Te₃薄膜，并在表面沉积Fe原子形成Fe_Bi三聚体 （如图1（a）和（b）所示）。通过超导近邻效应在Bi₂Te₃的费米能级处成功诱导出约0.6 meV超导能隙。STM数据证实，Bi₂Te₃的半导体性质使TIBB效应能够有效调控Fe杂质的能级。 

图1｜（a）Fe掺杂Bi₂Te₃/NbSe₂异质结STM测量示意图及样品表征。（b）Fe_Bi三聚体的STM表征。（c）dI/dV(x,V) 数据图，显示TIBB可以连续调控单个杂质能级（ε_d）。当一个ε_d进入超导能隙（SC gap）时，会产生一对能量相对于费米面能级对称的YSR态。

如图1（c）中的高分辨电导谱dI/dV(x,V)显示，随针尖与掺杂缺陷横向距离增大，单个杂质能级ε_d的能量可以被连续调控。随着ε_d进入超导能隙，一条杂质能级可以产生出一对YSR态。这对YSR态从超导能隙边缘出现，向零能收敛，随后跨过费米能级再次向超导能隙边缘演化，最终形成一个“X”型。零能交叉位置与掺杂剂电离阈值精确重合，证实二者共享同一TIBB静电调控机制。该实验显示，借助TIBB效应，不但可以产生YSR态，还可以调控其产生量子相变。

理论机制

在Anderson杂质模型中，杂质物理性质由杂质能级ε_d与杂质与载体材料的杂化强度（Γ）的比值决定。当杂质能级远离费米面（|ε_d| ≫ Γ）时，体系处于局域磁矩区，库仑排斥锁定杂质能级单占据，形成稳定局域磁矩；将其映射到Kondo模型后，局域磁矩屏蔽与超导配对竞争，产生YSR态及相应量子相变。然而，当杂质能级靠近费米面（|ε_d| ∼ Γ或|ε_d| < Γ）时，体系进入混合价区，强电荷涨落模糊局域态与巡游态界限，局域磁矩与Kondo效应不再能够良好定义。混合价区中YSR态及其量子相变行为，此前在实验上尚未被系统探索。如图2所示，实验测得该体系有效杂化Γ为0.56 ± 0.06 meV，与超导能隙相当，当ε_d被调节到靠近超导带隙时，体系确定进入混合价区（|ε_d| ≲ Γ ≈ Δ） 

图2｜(a)和（b）半导体中TIBB效应调控YSR态产生量子相变。（c）和（d）局域磁矩区（local momentum regime LMR）和混合价态区（mixed valence regime MVR）的YSR态量子相变示意图。

该研究团队构建包含Kanamori相互作用的两轨道Anderson模型进行模拟，理论结果与实验能级演化和谱权重变化高度吻合。如图2（c）和（d）所展示，该量子相变并非传统局域磁矩区中由交换耦合（J）主导、以Kondo屏蔽为核心的路径，而是由掺杂能级驱动的电荷转移过程。在混合价区，Hund耦合使活跃能级与更深能级自旋对齐，共振增强的Kanamori相互作用将YSR态推向零能；当系统越过ε_d = 0量子临界点后，活跃能级电离，掺杂缺陷向超导体转移了一个电子，因此系统基态的自旋构型与费米子宇称都发生改变，产生量子相变。

意义与展望

本工作首次将TIBB局域栅控手段引入超导体系，证明其可在近邻诱导超导能隙的半导体薄膜中连续调节单个掺杂能级，使其穿越费米能级并深入混合价区。由此揭示的能级驱动型YSR量子相变区别于此前广泛研究的交换耦合驱动机制，为混合价区杂质物理提供首个原子尺度实验图像。该调控策略可推广至更广泛半导体/超导体异质结体系，为单原子尺度研究混合价量子相变、自旋相关输运及量子态工程开辟新路径。

论文第一作者为上海交通大学陈星森同学和南洋理工大学的张俊祎博士，上海交通大学为论文第一完成单位。通讯作者为上海交通大学李政道研究所、物理与天文学院的郑浩教授和贾金锋院士。研究工作得到国家自然科学基金、科学技术部、上海市科学技术委员会、上海量子科学研究中心以及新加坡国家研究基金会等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1103/17nh-csbr