揭秘！我国科学家首次实现原子级界面调控电子反射，量子计算材料研究取得重大突破
近日，北京量子信息科学研究院半导体量子计算团队联合中国科学院物理研究所等多家单位，在超导/半导体异质结材料研究领域取得突破性进展。研究团队成功制备出具有原子级平坦界面的铝/锗异质结薄膜材料，并首次观测到了界面局域态对电子反射的调制作用。这一重要发现于2025年11月29日以"Atomically Resolved Electron Reflectivity at a Metal/Semiconductor Interface"为题，在国际顶尖期刊《Advanced Science》上发表。
量子计算的关键材料突破：从理论到实践
超导/半导体异质结材料在约瑟夫森场效应晶体管、超导二极管、超导量子比特和拓扑量子比特等前沿量子器件中具有不可替代的应用价值。这些量子器件的性能很大程度上取决于材料的结晶质量、界面平整度等关键参数。获得拥有原子级锐利界面的单晶超导/半导体异质结构材料，一直是量子计算材料研究的重要目标。
研究团队采用先进的分子束外延技术，在锗（111）衬底上成功生长出高品质的单晶铝（111）薄膜。通过透射电子显微镜（TEM）的原子成像和扫描隧道显微镜（STM）的表征分析，证实了在金刚石结构的锗上成功制备出了面心立方结构的单晶铝薄膜，并获得了原子级平坦的非共格界面。特别值得注意的是，界面处实现了5个锗原子晶格长度与7个铝原子晶格长度的精确匹配，形成了5比7的公度结构。
革命性发现：界面态对电子反射的精准调控
研究团队最关键的突破在于，利用STM探测铝薄膜中的量子阱态，实现了对材料中界面埋层结构的可视化观察。研究首次发现，铝薄膜的微分电导（dI/dV）谱中量子阱峰的峰宽受到材料界面晶格的调制，呈现出横向的周期性变化。
通过引入一维Fabry-Perot干涉腔的物理模型对STM实验中电子的相干隧穿过程进行模拟，研究团队获得了与实验结果高度一致的拟合数据。这一发现揭示了量子阱峰宽的局域变化源自于铝/锗界面态对电子反射率的调制作用。基于这一创新发现，研究团队进一步提出了一种新型无损表征方法，即利用STM探测电子在材料中的相干隧穿过程来精确表征金属/半导体异质结的界面态。
技术创新：从材料制备到表征方法的双重突破
此次研究在多个技术层面实现了重要创新：
材料制备技术突破
研究团队在分子束外延技术方面取得重要进展，成功制备出高品质的单晶铝/锗异质结薄膜。STM局域二阶微分电导（d2I/dV2）谱的表征结果显示，不同测量位置具有一致的电子-声子散射谱学特征，证实了铝薄膜物性的空间均匀性，这一特性对于量子器件的稳定性至关重要。
表征方法创新
研究团队开发的原位无损探测界面态的STM表征方法，为超导/半导体异质结材料的界面研究提供了全新的技术手段。这种方法不仅能够精确表征界面态，而且不会对材料结构造成损伤，为后续的量子器件制造和应用奠定了坚实基础。
科学意义与应用前景
该研究成果具有重要的科学价值和广泛的应用前景：
量子计算材料研究的重要里程碑
原子级平坦的铝/锗界面为清晰揭示量子器件中的前沿物理机理提供了理想载体。这种高品质异质结材料能够有效降低由复杂界面结构引起的缺陷态，为量子计算器件的性能提升创造了有利条件。
拓扑量子计算的新机遇
在拓扑量子比特研究领域，高品质的超导/半导体异质结材料是实现马约拉纳零能模的关键基础。此次研究的突破为拓扑量子计算的材料研究开辟了新方向。
量子器件产业化的技术储备
该成果在超导/半导体异质结材料的制备与表征、超导量子器件与拓扑量子器件研究方面具有重要意义，为我国在量子计算领域的自主创新和产业化发展提供了重要的技术储备。
研究团队与合作网络
该研究的共同第一作者为量子院助理研究员黄鼎铭与王建桓，共同通讯作者包括量子院黄鼎铭助理研究员、首席科学家徐洪起教授，以及中国科学院物理所张建军研究员。论文合作者还包括松山湖材料实验室副研究员张结印和中国科学院物理所副研究员姚湲。
研究团队表示，这项工作的成功得益于国家自然科学基金和科技创新2030国家科技重大专项等的大力支持，体现了我国在量子科技领域的战略布局和持续投入。
未来展望：量子材料研究的新篇章
随着量子计算技术的快速发展，对高性能量子材料的需求日益迫切。北京量子信息科学研究院此次在超导/半导体异质结材料研究中取得的突破性进展，不仅填补了相关领域的技术空白，更为我国在量子科技领域的自主创新开辟了新的技术路径。
展望未来，研究团队将继续深入探索异质结界面的物理性质，进一步优化材料制备工艺，推动相关技术在量子计算、量子通信等前沿领域的实际应用。这一系列研究成果将为我国在全球量子科技竞争中赢得先机提供坚实的技术支撑。
从原子级界面的精确控制到电子反射的精准调制，中国科学家在量子材料研究领域再次走在了世界前列。这一突破性进展不仅代表着材料科学的重大进步，更为量子计算技术的发展注入了新的动力。