I ricercatori dell'European Graphene Flagship hanno dimostrato correnti elettriche superconduttive nel materiale bidimensionale grafene che rimbalzano tra i bordi del foglio senza dispersione. Questa prima osservazione diretta del mirroring balistico delle onde elettroniche in un sistema 2D con supercorrenti potrebbe portare all'uso di giunzioni Josephson a base di grafene in applicazioni come circuiti logici digitali avanzati, magnetometri e voltmetri ultrasensibili.

Una giunzione Josephson è realizzata inserendo un sottile strato di materiale non superconduttore tra due strati superconduttori. Le coppie intrecciate di elettroni superconduttori note come coppie di Cooper sono in determinate circostanze in grado di viaggiare senza resistenza attraverso lo strato intermedio isolante o parzialmente isolante.

La corrente senza resistenza si verifica fino a una corrente critica, al di sopra della quale si stabilisce una tensione variabile nel tempo (alternata) ai capi della giunzione. Rilevare e misurare il cambiamento tra gli stati attuali è alla base di molte applicazioni che sfruttano le giunzioni Josephson.

I circuiti logici elettronici possono essere costruiti da matrici di giunzioni Josephson, che sono utilizzati anche nei dispositivi di interferenza quantistica superconduttori. I calamari sono estremamente sensibili ai campi elettromagnetici, e costituiscono la base di magnetometri in grado di misurare campi fino a pochi attotesla (10-18T), e voltmetri sensibili alle differenze di potenziale di picovolt (10-12V).

Gli usi pratici di tali dispositivi ultrasensibili includono la misurazione delle correnti neurologiche nel cervello o nel cuore, e ricerca geofisica. Le applicazioni militari includono il rilevamento remoto di sottomarini.

Nell'ultimo numero della rivista Nanotecnologia della natura , un team internazionale di fisici guidati dal membro della Graphene Flagship Lieven Vandersypen, che ha sede presso il Kavli Institute of Nanoscience di Delft, dimostrare firme inequivocabili delle giunzioni Josephson nel grafene, un allotropo bidimensionale di atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale. Nella carta, i cui autori principali sono Victor Calado e Srijit Goswami, i ricercatori esaminano le supercorrenti balistiche nel grafene, con gli elettroni che si specchiano tra contatti di bordo unidimensionali in molibdeno-renio.

Il grafene ultrapulito utilizzato nell'esperimento, necessario per preservare le proprietà elettriche uniche del materiale, è protetto dalla contaminazione ambientale essendo incapsulato tra i fogli del materiale isolante 2D nitruro di boro esagonale. Questa pila a tre strati viene quindi tagliata nella forma desiderata, e il grafene posto a contatto con la lega superconduttiva.

Proprio come con la luce che rimbalza avanti e indietro tra due specchi, che porta a un modello di interferenza creato dalla sovrapposizione di onde elettromagnetiche incidenti e riflesse, gli elettroni possono riflettere dai bordi di un superconduttore. La differenza è che l'interferenza elettronica si osserva solo in campioni ultrapuliti, in cui è possibile che le particelle cariche si muovano in traiettorie balistiche con dispersione minima dalle impurità nel materiale.

Questo è ciò che Calado, Goswami e colleghi hanno osservato nel loro setup, con una modulazione impressionante della supercorrente. Nel loro documento Nature Nanotechnology, i ricercatori si riferiscono alla corrente critica che oscilla a causa dell'interferenza di fase coerente degli elettroni e delle lacune di elettroni che trasportano la corrente. Ciò è causato dalla formazione di una cavità risonante (Fabry-Pérot) tra i punti speculari. Per di più, si osservano supercorrenti relativamente grandi, percorrendo distanze fino a 1,5 micrometri. I ricercatori ritengono che questa sia la prima osservazione diretta del rispecchiamento balistico delle supercorrenti nel grafene.

"Questo lavoro ci consente di svelare una nuova fisica relativa all'interazione tra la superconduttività e il comportamento relativistico degli elettroni nel grafene, " ha detto Goswami. "Con questa tecnologia, possiamo studiare e sfruttare le giunzioni Josephson del grafene in un nuovo, regime entusiasmante".