Quantum Hall-baseret superledende interferensenhed

I en nylig rapport offentliggjort d Videnskab fremskridt , Andrew Seredinski og kolleger præsenterede et grafenbaseret Josephson-kryds med dedikerede sideporte fremstillet af det samme ark grafen som selve krydset. Det tværfaglige forskerhold i fysiske afdelinger, astronomi og avancerede materialer i USA og Japan fandt sidelågerne meget effektive, giver dem mulighed for at kontrollere bærertætheden langs hver kant af krydset på tværs af en lang række magnetfelter. For eksempel, de befolker det næste Landau-niveau (hvor antallet af elektroner er direkte proportional med styrken af ​​det anvendte magnetfelt) inden for magnetfelter i området 1 til 2-Tesla (T), at resultere i quantum Hall -plateauer. Når de derefter indførte modforplantning af kvante Hall-kanttilstande langs hver side af enheden, de observerede en superstrøm lokaliseret langs kanten af ​​krydset. I det nuværende arbejde, de studerede disse superstrømme som en funktion af magnetfelt og bæreevne.

I kvantemekanik, fysikere klassificerer partikler enten som fermioner eller bosoner. Denne klassificering er afgørende for at forstå en række fysiske systemer, herunder lasere, metaller og superledere. Interaktioner mellem elektroner eller atomer i nogle todimensionale (2-D) systemer kan føre til dannelse af kvasi-partikler, der bryder fra fermion-boson-dikotomien; at danne 'ikke-abelske' materiestater. Mange eksperimentelle undersøgelser forsøger at identificere ikke-abelske stater i systemer, der manifesterer quantum Hall (QH) effekter (kvantisering af modstand i todimensionale elektroniske systemer). Identifikationen af ​​sådanne tilstande vil være nyttig til kvanteberegning.

Fysikere forudsiger samspillet mellem spin-spiralformede tilstande og superledelse for at give adgang til ikke-abelske excitationer såsom Majorana Zero modes (MZM). Disse tilstande kan danne grundlag for kvanteberegningsarkitekturer, som udnytter topologiske beskyttelser for at opnå fejltolerance og dermed tillader et system at fortsætte med at fungere korrekt i tilfælde af fejl. Forskere sigter mod at udvikle flere teknikker, herunder hybrid superleder-halvledende nanotråde og superleder-topologiske isolatorstrukturer til sådanne kvasipartikelbaserede applikationer. Nylige forskningsinteresser for superledelse havde også ført til en strøm af aktivitet i grænsefladen mellem superledningsevne og quantum Hall (QH) -effekten. For eksempel, forskere har udledt, at kvasi-endimensionale (1-D) superledende kontakter kan aktivere MZM og parafermioner, mens heterostrukturer af grafen og sekskantet bornitrid (BN) med 1-D superledende kontakter kan demonstrere bemærkelsesværdig kontakttransparens for at observere superstrøm i QH-regimet. Imidlertid, mikroskopiske detaljer om superstrøm i QH -regimet er hidtil et åbent emne.

I det nuværende arbejde, Seredinski et al. undersøgte et grafen Josephson -kryds med to grafensideporte for direkte at manipulere QH -kanttilstande. De indstillede hver port for at ændre påfyldningsfaktoren for Landau -niveau langs kanterne for at observere en superstrøm, udelukkende lokaliseret langs den ene kant. Teamet byggede prøverne af grafen indkapslet i sekskantet bornitrid (BN) for at beskytte enheder mod forurening og for at give ballistisk transport på tværs af mikrometerskalaer. De ætsede grafen-BN stakken og fremstillede derefter kvasi-1-D kontakter til det udsatte område. De brugte molybdæn rhenium (MoRe), en type II superleder og adskilte de 3 um brede kontakter med 500 nm for at danne den eksperimentelle opsætning. I det næste trin, de dannede både krydset og sideporte ved at æde smalle skyttegrave på hver side af kontakterne, for effektivt at kontrollere elektrontætheden langs kanterne af krydset - efter påføring af spænding til grafenregionerne. De overlappede ikke de ætsede skyttegrave med kontakterne og placerede dem i stedet ved hjælp af en grafenstrimmel, for at forhindre elektroner i at tunnelere direkte fra superlederen til kanten.

Når Seredinksi et al. anbragte et magnetfelt vinkelret på prøven krydset kom ind i QH (quantum Hall) -regimet. Med 1,8 Tesla, QH -effekten var meget veludviklet og observeret ved hjælp af modstandskort gengivet ved en simpel elektrostatisk simulering i arbejdet. Forskerteamet fik mere indsigt i enhedens funktion ved at anvende sidelågerne uafhængigt. De observerede sideportenes indflydelse på konduktanserne for at vise ubetydelig krydsspaltning mellem venstre port på højre kant, og omvendt. Forskerne indstillede portene for at få en QH-tilstand til at skabe modspredende tilstande inden for enheden. Teamet observerede QH -superstrømmen og dens interferensmønstre som et område med undertrykt modstand flankeret af toppe; karakteristisk for en lille superstrøm. Teamet regulerede enhedens funktioner for at lokalisere superstrømmen til begge kryds.

Superstrømmen varierede ikke ved små ændringer i magnetfeltet. For eksempel, da holdet tændte en sideport, afstanden mellem de modspredende kantkanaler i enheden letter koblingen af ​​kanttilstande til superlederen-for at superstrømmen kan vises. Når de påførte begge sider af portene samtidigt, superstrømmens afhængighed af magnetfelter ændret sig fuldstændigt. Det resulterende kort demonstrerede et supraledende kvanteinterferensudstyr (SQUID) -lignende interferensmønster. Da Seredinski et al. udforskede enheden som et interferometer for QH -overstrømme, de ændrede feltet til 1 T for at observere en mere robust overladningssignatur. De opnåede mønsteret af modstandssvingninger i magnetfeltet, hvor svingningsperioden var uafhængig af portspændingen, mens svingningsfasen varierede med porten.

I et yderligere interferensmønster, forskergruppen observerede forskellen i prøvemodstanden mellem 0 og 10 nanoampere (nA) DC bias, at fremhæve de superledende regioner. De målte kortet som en funktion af begge sideporte og observerede interferensen, der svarer til, at superstrømme flyder langs sideporten-1 (SG1) og sideporten-2 (SG2). De to porte præsenterede sammenlignelig effektivitet. Da forskerne øgede spændingen på en port, de reducerede spændingen i den modsatte gate for omtrent at opretholde det samme område af SQUID (superledende kvanteinterferensanordning). Disse områdeændringer var tilstrækkelige til at udvikle forskellen i krydset, selvom det er for lille til at skabe mærkbare ændringer i magnetfeltets periodicitet.

På denne måde, Andrew Seredinski og kolleger viste indfødte grafensideporte til at være bemærkelsesværdigt effektive til at kontrollere kanttilstandsudbredelse i quantum Hall (QH) -regimet. De observerede superstrømme fremkaldt af sideportene, skal bæres af QH -kanttilstande. Disse superstrømme flyder uafhængigt på hver kant af enheden og kan styres uafhængigt af deres tilsvarende porte. Eksperimentet åbner en lovende ny rute for at koble superledere med QH-kanttilstande for at få ikke-abelske excitationer til at danne grundlag for kvanteberegningsarkitekturer.

© 2019 Science X Network