Confronto a tre colonne delle distribuzioni della supercorrente e dei modelli di interferenza magnetica risultanti. a) Diagramma del flusso di supercorrente a bassi campi magnetici, risultante in una distribuzione uniforme mostrata nel pannello (b). c) Misura del secondo dispositivo a basso campo magnetico che mostra un tipico schema di interferenza Fraunhofer con periodo ∼ 0,7 mT, che indica una distribuzione uniforme della supercorrente. I dati sono una derivata numerica delle curve I-V misurate (unità arbitrarie). T=230 mK. d) Schema degli archi QH quando vengono applicate entrambe le porte laterali (bulk ν =2, localmente indotto ν =6 su ogni spigolo). Gli stati contropropaganti ravvicinati supportano le supercorrenti su entrambi i bordi del campione, risultante nella distribuzione mostrata nel pannello (e). Il pannello (f) mostra il modello di interferenza magnetica simile a SQUID (dispositivo di interferenza quantistica superconduttore) della supercorrente di Hall quantistica corrispondente al pannello (d) con una periodicità di 0,6 mT. Il pannello (g) è simile al pannello (d) ma con un solo cancello laterale applicato. Ciò si traduce nella supercorrente che scorre solo su un bordo del campione, come mostrato nel pannello (h). Il pannello (i) mostra il modello di interferenza magnetica corrispondente al pannello (g). Non vi è alcuna variazione nel modello su questa scala di campo, indicando un unico, distribuzione altamente localizzata della corrente. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw8693
In un recente rapporto pubblicato su Progressi scientifici , Andrew Seredinski e collaboratori hanno presentato una giunzione Josephson a base di grafene con porte laterali dedicate fabbricate dallo stesso foglio di grafene della giunzione stessa. Il gruppo di ricerca interdisciplinare nei dipartimenti di fisica, astronomia e materiali avanzati negli Stati Uniti e in Giappone hanno trovato le porte laterali altamente efficienti, consentendo loro di controllare la densità del vettore lungo entrambi i bordi della giunzione attraverso un'ampia gamma di campi magnetici. Per esempio, hanno popolato il livello Landau successivo (dove il numero di elettroni è direttamente proporzionale alla forza del campo magnetico applicato) all'interno di campi magnetici nell'intervallo da 1 a 2-Tesla (T), per portare a plateau quantistici di Hall. Quindi, quando hanno introdotto stati di bordo di Hall quantistici contro-propaganti lungo entrambi i lati del dispositivo, hanno osservato una supercorrente localizzata lungo il bordo della giunzione. Nel presente lavoro, hanno studiato queste supercorrenti in funzione del campo magnetico e della densità dei portatori.
Nella meccanica quantistica, i fisici classificano le particelle come fermioni o bosoni. Questa classificazione è fondamentale per comprendere una varietà di sistemi fisici tra cui laser, metalli e superconduttori. Le interazioni tra elettroni o atomi in alcuni sistemi bidimensionali (2-D) possono portare alla formazione di quasi particelle che si rompono dalla dicotomia fermione-bosone; per formare stati 'non abeliani' della materia. Molti studi sperimentali tentano di identificare stati non abeliani in sistemi che manifestano gli effetti di Hall quantistica (QH) (quantizzazione della resistenza nei sistemi elettronici bidimensionali). L'identificazione di tali stati sarà utile per il calcolo quantistico.
I fisici prevedono l'interazione degli stati spin-elicoidali e della superconduttività per consentire l'accesso a eccitazioni non abeliane come le modalità Majorana Zero (MZM). Questi stati possono costituire la base per architetture di calcolo quantistico, che sfruttano le protezioni topologiche per ottenere la tolleranza ai guasti consentendo così a un sistema di continuare a funzionare correttamente in caso di guasto. I ricercatori mirano a sviluppare diverse tecniche, compresi i nanofili ibridi superconduttore-semiconduttore e strutture isolanti superconduttore-topologico per tali applicazioni basate su quasiparticelle. Il recente interesse della ricerca sulla superconduttività ha anche portato a una raffica di attività all'interfaccia tra la superconduttività e l'effetto Hall quantistico (QH). Ad esempio, gli scienziati hanno dedotto che i contatti superconduttori quasi unidimensionali (1-D) possono abilitare MZM e parafermioni, mentre eterostrutture di grafene e nitruro di boro esagonale (BN) con contatti superconduttori 1-D possono dimostrare una notevole trasparenza di contatto per osservare la supercorrente nel regime QH. Però, i dettagli microscopici della supercorrente nel regime QH rimangono finora un argomento aperto.
Layout del dispositivo e influenza del gate sui plateau di QH. (A) Microscopia elettronica a scansione (SEM) del dispositivo prima dell'incisione con ioni reattivi. I contatti More sono delineati e colorati in verde per contrasto. Due trincee (grigio chiaro), ~60 nm di larghezza, separare il bivio dai cancelli laterali. I contatti MoRe sono distanziati dalle trincee da regioni di grafene larghe circa 100 nm, impedendo il contatto diretto tra MoRe e il bordo della mesa. (B) Vista laterale schematica di una sezione trasversale verticale di (A). (C) Mappa della resistenza in funzione della tensione di back-gate, VBG, e tensioni di gate laterale applicate simmetricamente, VSG1 =VSG2, a B =1,8 T. Le regioni a forma di diamante corrispondono ai plateau di resistenza quantizzata. I loro confini orizzontali (influenzati solo da VBG) corrispondono a densità elettronica costante nella massa. I bordi laterali inclinati dei diamanti corrispondono a fattori di riempimento costanti in prossimità dei bordi, dove le influenze della schiena e delle porte laterali si compensano a vicenda. I numeri bianchi indicano il fattore di riempimento del campione, mentre i numeri neri sulla porta laterale alta indicano la conduttanza del campione in unità di e2/h. (D) Simulazione elettrostatica agli elementi finiti di (C) riproducendo le regioni a forma di diamante di conduttanza costante. I plateau di conduttanza contrassegnati in (C) sono contrassegnati in modo simile. (E) Resistenza del campione in funzione di VBG a diversi VSG1, 2, corrispondenti alle sezioni trasversali verticali di (C). Le curve mostrano che i plateau QH sono meglio sviluppati con le porte laterali impostate su -1 V. A VSG1, 2 =− 3 V e +1 V, i plateau si restringono e diventano asimmetrici tra l'elettrone e i lati drogati con lacune, come si trova spesso nei campioni senza controllo del gate laterale. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw8693
Nel presente lavoro, Seredinski et al. ha esaminato una giunzione Josephson di grafene con due porte laterali di grafene per manipolare direttamente gli stati del bordo QH. Hanno sintonizzato ogni porta per cambiare il fattore di riempimento del livello di Landau lungo i bordi per osservare una supercorrente, localizzato esclusivamente lungo un bordo. Il team ha costruito i campioni di grafene incapsulato in nitruro di boro esagonale (BN) per proteggere i dispositivi dalla contaminazione e garantire il trasporto balistico su scale micrometriche. Hanno inciso lo stack grafene-BN e quindi fabbricato contatti quasi-1-D nella regione esposta. Hanno usato molibdeno renio (MoRe), un superconduttore di tipo II e ha separato i contatti larghi 3 μm di 500 nm per formare il setup sperimentale. Nel passaggio successivo, formavano sia la giunzione che le porte laterali incidendo strette trincee su entrambi i lati dei contatti, per controllare in modo efficiente la densità elettronica lungo i bordi della giunzione, dopo aver applicato la tensione alle regioni del grafene. Non hanno sovrapposto le trincee incise con i contatti e li hanno invece distanziati usando una striscia di grafene, per impedire agli elettroni di passare direttamente dal superconduttore al bordo.
Quando Seredinksi et al. applicato un campo magnetico perpendicolare al campione, la giunzione è entrata nel regime QH (Quantum Hall). Entro 1,8 Tesla, l'effetto QH è stato molto ben sviluppato e osservato utilizzando mappe di resistenza riprodotte da una semplice simulazione elettrostatica nel lavoro. Il team di ricerca ha acquisito maggiori informazioni sulla funzione del dispositivo applicando le porte laterali in modo indipendente. Hanno osservato l'influenza delle porte laterali sulle conduttanze per mostrare una diafonia trascurabile tra la porta sinistra sul bordo destro, e viceversa. Gli scienziati hanno sintonizzato le porte per indurre uno stato QH a creare stati contro-propaganti all'interno del dispositivo. Il team ha osservato la supercorrente QH e i suoi schemi di interferenza come una regione di resistenza soppressa fiancheggiata da picchi; caratteristica di una piccola supercorrente. Il team ha regolato le caratteristiche del dispositivo per localizzare la supercorrente su entrambe le giunzioni.
Plateau QH indotto dal gate laterale. (A) Mappa dV/dI tracciata rispetto alle tensioni di gate laterale VSG1 e VSG2 a B =1,8 T. La tensione di back-gate è fissata a VBG =4,7 V, corrispondente allo stato bulk ν =2. I numeri contrassegnano la conduttanza del campione in unità di e2/h. (B) Resistenza del campione misurata in funzione di un singolo gate laterale. Le curve verdi e rosse corrispondono alle linee verticali in (A) a VSG1 =0 e 3 V, rispettivamente (con VBG =4,7 V). La curva blu mostra una traccia simile con un fattore di riempimento sfuso ν =− 2 (VBG =1,5 V), spazzare VSG1 con VSG2 =0 V. (C e D) Schemi corrispondenti alle curve verde e blu in (B) per VSG maggiori di ∼2 V. Vengono creati canali di bordo aggiuntivi vicino al gate, con fattore di riempimento locale ν2 =6 (C, regione verde) e ν1 =2 (D, regione blu). La conduttanza aggiuntiva è pari a 4e2/h e 2e2/h in (C) e (D), rispettivamente, oltre alla conduttanza di base di 2e2/h, come si osserva per le curve blu e verde in (B). (E) Schema della densità del portatore all'interno della giunzione del grafene in funzione della posizione quando SG2 (1) è attivo (passivo), simile a (C). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw8693.
La supercorrente non variava per piccoli cambiamenti nel campo magnetico. Per esempio, quando la squadra ha attivato un cancello laterale, la distanza tra i canali del bordo contropropaganti nel dispositivo ha facilitato l'accoppiamento degli stati del bordo al superconduttore, per far apparire la supercorrente. Quando hanno applicato entrambi i lati dei cancelli contemporaneamente, la dipendenza della supercorrente dai campi magnetici è completamente cambiata. La mappa risultante ha dimostrato un modello di interferenza simile a un dispositivo di interferenza quantistica superconduttore (SQUID). Quando Seredinski et al. esplorato il dispositivo come interferometro per le supercorrenti QH, hanno cambiato il campo a 1 T per osservare una firma di sovralimentazione più robusta. Hanno ottenuto il modello delle oscillazioni di resistenza nel campo magnetico, dove il periodo delle oscillazioni era indipendente dalla tensione di gate, mentre la fase delle oscillazioni variava con il cancello.
Supercorrente QH e suoi schemi di interferenza. (A) Mappa della resistenza differenziale rispetto a VSG1, 2 come in Fig. 2A ma misurato con polarizzazione di corrente CC di 0 nA, consentendo l'osservazione della resistenza soppressa dovuta alla supercorrente. Le posizioni della tensione di gate da (B) a (D) sono contrassegnate da (B) un asterisco arancione, (C) un asterisco nero, e (D) un asterisco bianco. (B) dV/dI misurato rispetto a I, indicando la presenza di una supercorrente al di sopra del plateau h/6e2 quantizzato. (C) Mappa del campo magnetico-corrente della resistenza differenziale quando una supercorrente viene indotta lungo un lato del campione solo con VSG2, mentre VSG1 rimane a zero. La supercorrente non è sensibile ad un cambiamento incrementale di campo su una scala di pochi millitesla. (D) Una mappa simile con entrambe le porte laterali che inducono supercorrente, mostrando uno schema di interferenza simile a SQUID. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw8693.
In un modello di interferenza aggiuntivo, il team di ricerca ha osservato la differenza nella resistenza del campione tra 0 e 10 nanoampere (nA) DC bias, per evidenziare le regioni superconduttrici. Hanno misurato la mappa in funzione di entrambe le porte laterali e hanno osservato l'interferenza corrispondente alle supercorrenti che fluiscono lungo la porta laterale-1 (SG1) e la porta laterale-2 (SG2). Le due porte hanno presentato un'efficienza comparabile. Quando gli scienziati hanno aumentato la tensione di una porta, hanno diminuito la tensione della porta opposta per mantenere approssimativamente la stessa area dello SQUID (dispositivo di interferenza quantistica superconduttore). Questi cambiamenti di area sono stati sufficienti per evolvere la fase di differenza attraverso la giunzione, sebbene troppo piccolo per creare cambiamenti evidenti nella periodicità del campo magnetico.
Interferometria QH supercorrente. (A) mappa dV/dI misurata a VSG1 =2,34 V e VSG2 =2,36 V in funzione di VBG e B vicino a 1 T. Per una data tensione di gate, le regioni di resistenza soppressa corrispondono a una supercorrente più forte. La fase delle oscillazioni dipende dalla tensione di gate, indicando che l'area di interferenza diminuisce con la tensione di gate (dVBG/dB positivo). Ciò è spiegato dagli stati del bordo interno che si spostano ulteriormente verso l'interno man mano che la densità elettronica cresce [schema in (B)]. (B) Schema della densità portante nel campione lungo la linea mediana tra i contatti. La linea blu rappresenta una certa densità di carica della linea di base; la linea verde mostra una tensione di back gate più alta. (C) mappa dV/dI simile a (A) misurata in funzione della tensione B e SG1 per VBG =3,8 V. La mappa mostra un pattern di interferenza con pendenza opposta a quella in (A), indicando che l'area di interferenza aumenta con la tensione di gate mentre gli elettroni vengono spinti ulteriormente verso il gate. (D) Mappa ΔR che mostra la differenza tra la resistenza nelle condizioni di polarizzazione CC 0 e 10 nA, misurata a 1 T con VBG =3,9 V. Entrambe le tensioni di gate laterale sono sufficientemente elevate da indurre una supercorrente (VSG1, 2> 1 V), e le caratteristiche verticale e orizzontale corrispondono alla supercorrente indotta da SG1 o SG2, rispettivamente. Ai loro incroci, compaiono ulteriori caratteristiche diagonali, indicando l'interferenza tra le supercorrenti sui due lati del campione. Le frange hanno pendenza ∼ −1, suggerendo un'efficienza comparabile delle due porte laterali. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw8693.
In questo modo, Andrew Seredinski e colleghi hanno dimostrato che le porte laterali del grafene nativo sono notevolmente efficienti nel controllare la propagazione dello stato del bordo nel regime di quantum Hall (QH). Hanno osservato supercorrenti indotte dalle porte laterali, essere trasportato dagli stati edge QH. Queste supercorrenti fluivano indipendentemente su ciascun bordo del dispositivo e potevano essere controllate indipendentemente dalle loro porte corrispondenti. L'esperimento apre una nuova strada promettente per accoppiare superconduttori con stati limite QH per indurre eccitazioni non abeliane per formare la base delle architetture di calcolo quantistico.
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