Grafen-superstrømme bliver ballistiske

Forskere med Europas Graphene Flagship har påvist superledende elektriske strømme i det todimensionelle materiale grafen, der hopper mellem arkkanterne uden at sprede sig. Denne første direkte observation af den ballistiske spejling af elektronbølger i et 2d-system med superstrømme kunne føre til brugen af ​​grafen-baserede Josephson-forbindelser i applikationer som avancerede digitale logiske kredsløb, ultrafølsomme magnetometre og voltmetre.

En Josephson junction er lavet ved at klemme et tyndt lag af ikke-superledende materiale mellem to superledende lag. Sammenflettede par af superledende elektroner kendt som Cooper-par er under visse omstændigheder i stand til at rejse uden modstand gennem det isolerende eller delvist isolerende mellemlag.

Den modstandsfrie strøm opstår op til en kritisk strøm, over hvilken der opsættes en tidsvarierende (veksel)spænding over krydset. Detektering og måling af ændringen mellem nuværende tilstande er grundlaget for mange applikationer, der udnytter Josephson-kryds.

Elektroniske logiske kredsløb kan konstrueres ud fra arrays af Josephson-kryds, som også bruges i superledende kvanteinterferensenheder. SQUID'er er ekstremt følsomme over for elektromagnetiske felter, og danner grundlag for magnetometre, der kan måle felter så lave som et par attoteslas (10-18T), og voltmetre, der reagerer på potentielle forskelle på picovolt (10-12V).

Praktiske anvendelser af sådanne ultrafølsomme enheder omfatter måling af neurologiske strømme i hjernen eller hjertet, og geofysisk forskning. Militære applikationer omfatter fjerndetektion af ubåde.

I det seneste nummer af tidsskriftet Natur nanoteknologi , et internationalt hold af fysikere ledet af Graphene Flagship-medlem Lieven Vandersypen, som er baseret på Kavli Institute of Nanoscience i Delft, demonstrere utvetydige signaturer af Josephson-kryds i grafen, en todimensional allotrop af carbonatomer arrangeret i et sekskantet gitter. I avisen, hvis hovedforfattere er Victor Calado og Srijit Goswami, forskerne ser på ballistiske superstrømme i grafen, med elektronerne spejlende mellem endimensionelle kantkontakter lavet af molybdæn-rhenium.

Den ultrarene grafen, der blev brugt i eksperimentet – påkrævet for at bevare materialets unikke elektriske egenskaber – er afskærmet mod miljøforurening ved at blive indkapslet mellem plader af det isolerende 2d-materiale hexagonal bornitrid. Denne tre-lags stak skæres derefter i den ønskede form, og grafenen placeret i kontakt med den superledende legering.

Ligesom med lys, der hopper frem og tilbage mellem to spejle, hvilket fører til et interferensmønster opbygget af overlejring af indfaldende og reflekterede elektromagnetiske bølger, elektroner kan reflekteres fra kanterne af en superleder. Forskellen er, at elektroninterferens kun observeres i ultrarene prøver, hvor det er muligt for de ladede partikler at bevæge sig i ballistiske baner med minimal spredning fra urenheder i materialet.

Dette er hvad Calado, Goswami og kolleger observerede i deres opsætning, med en slående modulation af superstrømmen. I deres Nature Nanotechnology papir, forskerne henviser til den kritiske strøm, der svinger som følge af fasekohærent interferens fra elektronerne og elektronhullerne, der fører strømmen. Dette er forårsaget af dannelsen af ​​et resonant (Fabry-Pérot) hulrum mellem spejlpunkterne. Desuden, relativt store superstrømme ses, rejser over afstande på op til 1,5 mikrometer. Forskerne mener, at dette er den første direkte observation af den ballistiske spejling af superstrømme i grafen.

"Dette arbejde giver os mulighed for at optrevle ny fysik relateret til samspillet mellem superledning og den relativistiske opførsel af elektroner i grafen, " sagde Goswami. "Med denne teknologi, vi kan studere og udnytte grafen Josephson junctions i en ny, spændende regime."