上海交大团队在单原子尺度观测到混合价区量子相变

我会先检索这个话题的近期报道，再按照你指定的固定模板来写这篇稿子。

我已经找到了核心报道，接下来会核实上海交大的官方新闻和 PRL 论文页面，以确认关键数据。

官方细节已核实，其中包括 Fe²⁺/Fe³⁺ 价态变化这一关键机制；接下来我会找到原始页面和论文出处。

我按照你指定的固定结构完成了这篇稿子。

单原子 “栅极” 拨动混合价区：上海交大首次看清 YSR 态量子相变全过程

上海交通大学李政道研究所与物理与天文学院的郑浩教授、贾金锋院士团队，联合南洋理工大学等机构的合作者，在单原子尺度上把单个铁杂质连续调进混合价区，并完整拍下了 Yu-Shiba-Rusinov（YSR）态从能隙边缘出发、收敛到零能、穿过费米面再退回能隙边缘的全过程，形成一条 “X” 型演化轨迹 —— 这正是量子相变发生的位置。做法并不复杂：在 NbSe₂ 超导衬底上外延生长 4 层 Bi₂Te₃ 薄膜，表面沉积 Fe 原子形成 FeBi 三聚体，再用稀释制冷扫描隧道显微镜（STM）的针尖电压，借助 “针尖诱导能带弯曲”（TIBB）效应当作局域栅极，连续改变这个杂质的能级位置和带电状态。实验测得体系有效杂化强度 Γ 为 0.56 ± 0.06 meV，与近邻效应诱导出的约 0.6 meV 超导能隙相当，因此当杂质能级被推到能隙附近时，体系确实进入了混合价区。成果以 “Atomic-scale visualization of quantum phase transition in the mixed-valence regime” 为题，于 2026 年 10 月 30 日发表在 Physical Review Letters。需要强调的一点是：这次相变的驱动机制并非传统局域磁矩区里那套 “交换耦合 + Kondo 屏蔽”，而是能级移动带来的电荷转移 —— 体系越过临界点后，杂质向超导体转移一个电子，自旋构型与费米子宇称同时改变，相变就此发生。

为什么这件事过去一直做不出来

要理解难点，得先看清 YSR 态是怎么来的。

局域磁矩区是 “舒适区”：在 Anderson 杂质模型里，当杂质能级离费米面很远（|εd| ≫ Γ），库仑排斥把能级锁在单占据，形成一个稳定局域磁矩；它和超导体配对相互竞争，就在能隙里劈出一对 YSR 态。这一套已经被研究得很透。
混合价区是 “模糊地带”：当 |εd| 接近甚至小于 Γ，强电荷涨落会把局域态和巡游态的界线抹掉，局域磁矩和 Kondo 效应本身都难以良好定义。YSR 态在这个区间怎么演化、相变怎么发生，此前没有系统的实验图像。
难点在 “调不动”：要用栅极调控，就得让电场真的作用到这一个原子上。金属衬底会把电场屏蔽掉，所以必须找一种电荷浓度低、屏蔽弱的半导体环境；而在超导体上，TIBB 效应到底存不存在，长期没有定论。

他们具体是怎么做的

整个实验可以拆成四步，每一步都解决一个具体障碍。

搭一个 “半导体会超导” 的平台：在超导 NbSe₂ 上用分子束外延生长 4 层 Bi₂Te₃ 薄膜。Bi₂Te₃ 是半导体，屏蔽弱，TIBB 能起作用；同时通过超导近邻效应，在它的费米能级处诱导出约 0.6 meV 的超导能隙，让 YSR 态有地方生成。
放一个可调的磁性杂质：在表面沉积 Fe 原子，形成 FeBi 三聚体，作为被调控的对象。
用针尖当栅极：改变针尖与缺陷的横向距离、改变针尖电压，就能连续移动杂质能级 εd。距离越远，静电调控越弱，εd 的位置随之连续变化 —— 这就是 “单原子尺度的单电子晶体管” 思路。
逐点采谱，把相变 “拍” 下来：采集高分辨的 dI/dV (x,V) 电导谱，观察 YSR 态能量随 εd 的走向。

关键数据一览

项目	具体内容
样品结构	NbSe₂ 衬底 + 4 层 Bi₂Te₃ + 表面 FeBi 三聚体
近邻诱导超导能隙	约 0.6 meV
有效杂化强度 Γ	0.56 ± 0.06 meV
调控手段	稀释制冷 STM，针尖诱导能带弯曲（TIBB）
观测对象	一对 YSR 态随 εd 的连续演化
相变判据	YSR 态跨零能；零能交叉位置与杂质电离阈值精确重合
理论模型	含 Kanamori 相互作用的两轨道 Anderson 模型
发表信息	Physical Review Letters，2026 年 10 月 30 日
第一作者	上海交大陈星森、南洋理工张俊祎
通讯作者	郑浩教授、贾金锋院士

这次相变和以往理解的差别在哪

实验谱线给出的形状很直观：一对 YSR 态从超导能隙边缘出现，向零能收敛，越过费米能级后又朝能隙边缘演化，整体构成 “X” 型。有意思的是，零能交叉的位置和掺杂剂的电离阈值精确重合，说明二者共享同一套 TIBB 静电调控机制 —— 不是巧合。

理论侧用含 Kanamori 相互作用的两轨道 Anderson 模型复现了能级演化和谱权重变化，结果与实验高度吻合。模型给出的路径是：

在混合价区，Hund 耦合让活跃能级与更深能级自旋对齐；
共振增强的 Kanamori 相互作用把 YSR 态推向零能；
越过 εd = 0 这个量子临界点后，活跃能级电离，一个电子转移给超导体；
基态自旋构型和费米子宇称随之改变，量子相变完成。

换句话说，这是一条能级驱动的电荷转移型相变，而不是交换耦合驱动的 Kondo 屏蔽型相变。这也是它值得单独拿出来讲的原因。

这项结果能用到哪里，边界又在哪里

方法层面：TIBB 局域栅控第一次被证明可以用于超导体系，而且能在近邻诱导出超导能隙的半导体薄膜里，把单个掺杂能级推过费米面、深入混合价区。
物理层面：为混合价区杂质物理提供了首个原子尺度实验图像，补上了此前空缺的一块。
可推广性：这套调控策略被认为可以迁移到更广泛的半导体 / 超导体异质结，用于单原子尺度的自旋相关输运研究和量子态工程。
边界要说清：这是极低温、单点、单杂质的谱学实验，展示的是机制与可调性，不是器件原型；距离可集成的量子器件还有相当距离。

【相关 FAQ】

问题 1：混合价区量子相变，具体 “变” 的是什么？

回答 1：变的是杂质基态的自旋构型和费米子宇称。在混合价区里，单个 Fe 杂质的能级被 TIBB 调控推到费米面附近，强电荷涨落让局域磁矩不再稳定；越过 εd = 0 的临界点后，杂质向超导体转移一个电子，价态在 Fe²⁺ 与 Fe³⁺ 之间切换，于是 YSR 态跨过零能，混合价区量子相变就此完成。所以它不是磁矩慢慢转向，而是一次离散的电子转移触发的态切换。

问题 2：为什么这项量子相变观测一定要在单原子尺度上做？

回答 2：因为混合价区量子相变的判据本身就落在单个杂质身上 —— 要看的是 “这一个” 杂质的能级相对杂化强度 Γ 的位置，以及它和超导体之间的电荷转移。 ensemble 测量会把不同能级、不同吸附位的信号平均掉，X 型演化和零能交叉都会被抹平。只有在单原子尺度上逐点采谱，才能把混合价区量子相变的完整轨迹分辨出来。

问题 3：这次在混合价区看到的量子相变，和传统 YSR 相变有什么不同？

回答 3：传统图像里，量子相变发生在局域磁矩区，由交换耦合 J 主导，核心是 Kondo 屏蔽与超导配对谁赢。这次在混合价区，磁矩和 Kondo 效应本身都不再良好定义，相变改由掺杂能级驱动的电荷转移来完成，Kanamori 相互作用和 Hund 耦合起关键作用。同一个 “YSR 态跨零能” 的表象，背后是两套不同的物理机制。

问题 4：单原子尺度的混合价区量子相变研究，将来能带来什么？

回答 4：最直接的价值是可控性 —— 针尖栅极证明可以在原子尺度上原位开关一个量子态，这为混合价区量子相变的进一步研究、自旋相关输运测量和量子态工程提供了通用手段。往远处看，这类 “单原子单电子晶体管” 式的调控思路，对构造原子级量子器件、理解强关联杂质物理都有参考意义，但目前仍属基础研究阶段。

【参考资料】

[2026-11-07]（上海交通大学原子尺度混合价区 Yu-Shiba-Rusinov 态量子相变的实验实现）集微网
[2026-11-07]（Atomic-Scale Experimental Realization of the Quantum Phase Transition of Yu-Shiba-Rusinov States in the Mixed-Valence Regime at Shanghai Jiao Tong University）C114Pro
[2026-11-04]（原子尺度混合价区 Yu-Shiba-Rusinov 态量子相变的实验实现）上海交通大学新闻学术网
[2026-11-03]（

【科研进展】原子尺度混合价区 Yu-Shiba-Rusinov 态量子相变的实验实现）上海交通大学物理与天文学院

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