超导体中的磁性杂质可以引起库伯对的散射，从而在能隙中形成Yu-Shiba-Rusinov (YSR) 束缚态。在理论上，对于这些束缚态的描述通常基于经典自旋模型，此模型最早由我国科学家于渌院士、日本科学家H. Shiba和前苏联科学家A. L. Rosinov在上世纪60年代独立提出。在实验上，研究自旋的量子特性对YSR束缚态的影响至关重要，它不仅有助于更好地理解YSR束缚态中的量子多体问题，而且对于目前利用YSR束缚态构建新型拓扑超导态具有重要意义。

图1. Fe原子在K₃C₆₀超导薄膜中诱导的YSR多重态（左）以及它们的空间分布（右）

最近，中国科学院苏州纳米所纳米真空互联实验站李坊森等与清华大学物理系宋灿立、马旭村和薛其坤研究团队合作，在单晶富勒烯超导薄膜K₃C₆₀表面制备了自旋分别为S = 5/2,S = 2 和S = 1的三种磁性原子Fe、Cr和Ni，并利用高分辨极低温的扫描隧道显微谱对它们所诱导的YSR束缚态的磁场响应和空间分布进行了实验研究。他们观察到了这些量子自旋由于磁晶各向异性导致的YSR多重态，并首次发现这些YSR多重态具有相同的空间分布，属于量子自旋诱导YSR束缚态的典型特征（如图1所示）。同时，通过研究这些YSR束缚态在外加磁场下的响应行为（能级移动或者劈裂），他们进一步厘清了这些高自旋磁性原子的量子基态，并在实验上首次观察到Ni原子由单轴磁各向异性符号改变所诱导的宇称守恒的量子相变。他们的实验发现澄清了量子自旋的磁各向异性与YSR多重态之间的关系，对深入探究YSR束缚态中的量子行为提供了重要的实验基础。该研究成果有望为发展基于YSR束缚态的拓扑超导理论提供重要的实验参考和指南。实验得到了中国科学院苏州纳米所纳米真空互联实验站（Nano-X）的大力支持。

图2. Fe原子在K₃C₆₀超导薄膜高分辨STM图和诱导的高能量分辨YSR多重态隧穿谱

该研究成果以Quantum spin driven Yu-Shiba-Rusinov multiplets and fermion-parity-preserving phase transition in K₃C₆₀为题发表在Science Bulletin上。以上成果的通讯作者为中国科学院苏州纳米所李坊森项目研究员，清华大学宋灿立教授和清华大学薛其坤教授。该工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委员会、清华大学低维量子物理国家重点实验室、量子信息前沿科学中心、苏州市基础研究试点项目和中国科学院苏州纳米所纳米真空互联实验站等经费支持。

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