正常金屬與超導體之間的界面是量子力學一個引人入勝的舞臺，在這里會發(fā)生一種被稱為安德烈夫反射的奇特現(xiàn)象。與入射電子作為電子反彈回來的傳統(tǒng)反射不同，安德烈夫反射涉及入射電子轉(zhuǎn)化為反射空穴，并伴隨著超導體內(nèi)部形成庫珀對。這種電荷轉(zhuǎn)移過程對于理解超導電性和鄰近效應至關重要，并且因其在從低溫電子學到量子計算等不同領域的潛在應用而受到廣泛關注。最近發(fā)表在PRL的研究，題為“通過單分子軌道控制安德烈夫反射”的論文，通過展示在最基本的層面——利用單個分子的電子結(jié)構(gòu)——精確操縱安德烈夫反射，從而推動了這一現(xiàn)象的研究前沿。

從本質(zhì)上講，安德烈夫反射是超導體獨特電子特性的體現(xiàn)。在臨界溫度以下，由于聲子介導的吸引相互作用，超導體中的電子會凝聚成庫珀對，即兩個自旋相反的電子的束縛態(tài)。這種配對導致在費米能級附近形成能隙，這是一個禁止單粒子激發(fā)的區(qū)域。當來自正常金屬的電子在能量低于能隙的情況下遇到與超導體的界面時，它不能簡單地隧穿過去。相反，涉及安德烈夫反射的過程在能量上變得更有利。能量低于能隙的入射電子與正常金屬中費米能級的另一個電子結(jié)合，在超導體中形成一個庫珀對。為了保持電荷和動量守恒，一個自旋和速度相反的空穴被反向反射回正常金屬。這個過程有效地在界面上傳輸了 2e 的電荷，從而促成了超導電流的流動。

安德烈夫反射的效率對正常金屬和超導體之間界面的性質(zhì)高度敏感。界面透明度、入射電子的能量以及所涉及材料的電子結(jié)構(gòu)等因素都在決定安德烈夫反射的概率方面起著至關重要的作用。傳統(tǒng)上，控制安德烈夫反射涉及操縱這些宏觀參數(shù)，例如施加偏置電壓或改變結(jié)中使用的材料。然而，納米技術(shù)的出現(xiàn)為在納米尺度上進行控制開辟了新的途徑，單分子作為具有定制功能性的電子器件的有希望的構(gòu)建模塊而出現(xiàn)。

新論文展示了在這方面的一個重大飛躍。作者使用掃描隧道顯微鏡（STM）研究了由正常金屬尖端、酞菁分子和傳統(tǒng)超導體組成的單分子結(jié)中的電荷傳輸，并觀察了電荷傳輸隨STM針尖和分子之間逐漸閉合的真空間隙的變化。酞菁是一種有機分子，其中心有一個金屬原子，周圍環(huán)繞著一個氮原子環(huán)，因其多樣化的電子和光學特性而成為分子電子學中具有吸引力的候選材料。研究人員比較了兩種密切相關的酞菁分子：2H-Pc（中心有兩個氫原子的酞菁）及其吡咯氫被提取的衍生物 Pc。

該研究的關鍵發(fā)現(xiàn)是兩種分子之間安德烈夫反射行為的顯著差異。在 2H-Pc 結(jié)中，隨著 STM 針尖和分子之間的真空間隙逐漸閉合，從而增加了結(jié)的電導，安德烈夫反射表現(xiàn)出短暫的增強。然而，這種增強并非單調(diào)的，并且隨著電導的進一步增加而再次減弱。與此形成鮮明對比的是，在相同的電導范圍內(nèi)，單個 Pc 分子結(jié)幾乎沒有表現(xiàn)出安德烈夫反射。盡管這兩種分子之間存在細微的結(jié)構(gòu)差異，但這種行為的巨大差異強烈表明，一個特定的分子軌道在介導安德烈夫反射中起著至關重要的作用。

為了理解其潛在的機制，研究人員進行了掃描隧道譜（STS）測量，并通過非平衡格林函數(shù)計算來支持他們的發(fā)現(xiàn)。這些理論模擬強調(diào)了靠近費米能級的分子軌道對于促進安德烈夫反射的重要性。2H-Pc 分子中兩個中心氫原子的存在可能影響了其分子軌道的能級，使其中的一個軌道處于有利于與超導凝聚態(tài)相互作用并促進電子轉(zhuǎn)化為庫珀對的能量范圍內(nèi)。而 Pc 分子中這些氫原子的去除可能改變了其軌道的能級，使其在介導安德烈夫反射方面無效。

這項研究對我們理解分子電子學和超導性之間的相互作用具有深遠的意義。它表明，單個分子的電子結(jié)構(gòu)，特別是其分子軌道的能量和空間分布，可以成為控制安德烈夫反射等基本量子輸運現(xiàn)象的強大工具。這種控制水平為設計具有定制超導特性的新型分子電子器件開辟了令人興奮的可能性。例如，人們可以設想創(chuàng)建分子開關，其中特定官能團的存在與否，甚至分子構(gòu)象的變化，都可以切換安德烈夫反射的效率，從而產(chǎn)生具有獨特功能的器件。

此外，在單分子層面控制安德烈夫反射的能力可能對量子計算具有重要的意義。安德烈夫反射可以用來產(chǎn)生和操縱糾纏的電子-空穴對，這是某些量子計算架構(gòu)的基本資源。通過使用分子結(jié)精確控制這些糾纏對的產(chǎn)生和傳輸，或許可以開發(fā)出具有改進的相干性和可擴展性的新型量子比特或量子門。

安德烈夫反射的自旋依賴性也暗示了其在自旋電子學中的潛在應用。通過仔細選擇具有特定自旋態(tài)和軌道構(gòu)型的分子，或許可以創(chuàng)建分子自旋電子器件，其中安德烈夫反射在自旋極化輸運中起著至關重要的作用。

雖然這項研究代表著一個重要的進步，但在這些發(fā)現(xiàn)能夠轉(zhuǎn)化為實際應用之前，仍然存在一些挑戰(zhàn)需要解決。制造穩(wěn)定且可重復的單分子結(jié)仍然是一個技術(shù)難題。此外，理解分子結(jié)構(gòu)、軌道能量和安德烈夫反射效率之間的確切關系還需要進一步的研究。探索更廣泛的分子和結(jié)配置對于全面理解這種現(xiàn)象以及識別具有控制安德烈夫反射最佳特性的分子至關重要。