半导体-超导复合器件因其结合了半导体中对载流子的极强调控能力和超导体中的相位相干性而可以实现新型的量子器件和物理，比如马约拉纳零能模。之前对马约拉纳的研究多集中于一维的半导体纳米线。近些年，基于半导体二维电子气（InAs和HgTe）的平面约瑟夫森结器件吸引了很多关注。这种二维器件的优点在于对结区相位的调控，可降低马约拉纳的临界磁场。最近，物理系拓扑量子器件团队实现了基于PbTe-Pb的二维平面约瑟夫森结器件，为该方案提供了一个新的（可能更优的）材料选择。

PbTe薄膜利用选区外延工艺生长，超导Pb膜的原位沉积则通过投影墙技术实现约瑟夫森结区，见图a。该器件中超导电流可通过栅极电压调控（图b）。在高栅压下，超导电流以近均匀的方式流过结区。这时，超流随面外磁场的响应呈现出Fraunhofer振荡，类似光学中的单缝衍射。图c展示了这种振荡及其对应的临界超流密度在结区的空间分布。在低栅压下，超流随磁场的变化呈现出SQUID振荡，类似光学中的双缝干涉（图d）。导致该振荡的微观机理尚待进一步研究。在栅压更负时，结区电流被挤压至很窄区域且超流振荡消失（图e）。从Fraunhofer到SQUID的振荡表明该平面约瑟夫森结的二维属性。图f展示了下一步的器件设计，通过PbTe-Pb纳米线网格同该平面约瑟夫森结形成一个ac SQUID，可实现结区的相位调控，并通过隧穿实验探测其中的马约拉纳零能模。

a, PbTe-Pb平面约瑟夫森结器件扫描电镜图。b, 零场下器件超导电流随栅压变化。c-e,不同栅压下超流随磁场的振荡（上）以及对应的临界超流密度空间分布（下）。f, 可探测马约拉纳的隧穿器件电镜图。

该工作以 “Selective-Area-Grown PbTe-Pb Planar Josephson Junctions for Quantum Devices”为题发表在 Nano Letters上。第一作者为物理系的研究生李睿东、宋文玉、苗文韬和于泽昊。通讯作者为物理系的何珂教授和张浩副教授。该工作得到了国家自然科学基金委，科技部，清华大学自主科研计划，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，北京市科委，合肥国家实验室以及科技创新2030-“量子通信与量子计算机”重大项目的资助。

文章链接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c00900

供稿｜张浩课题组

编辑｜骆洁

审核｜宋灿立