In een recent gepubliceerd rapport over wetenschappelijke vooruitgang , Andrew Seredinski en collega's presenteerden een op grafeen gebaseerde Josephson-junctie met speciale zijpoorten vervaardigd uit hetzelfde vel grafeen als de kruising zelf. Het interdisciplinair onderzoeksteam van de departementen natuurkunde, astronomie en geavanceerde materialen in de VS en Japan vonden de zijpoorten zeer efficiënt, waardoor ze de dragerdichtheid langs beide randen van de kruising over een breed scala aan magnetische velden kunnen regelen. Bijvoorbeeld, ze bevolkten het volgende Landau-niveau (waar het aantal elektronen recht evenredig is met de sterkte van het aangelegde magnetische veld) binnen magnetische velden in het bereik van 1 tot 2-Tesla (T), om te resulteren in quantum Hall-plateaus. Toen ze tegengestelde kwantum Hall-randtoestanden introduceerden aan weerszijden van het apparaat, ze observeerden een superstroom gelokaliseerd langs de rand van de kruising. In het huidige werk, ze bestudeerden deze superstromen als een functie van het magnetische veld en de dragerdichtheid.

In de kwantummechanica, natuurkundigen classificeren deeltjes als fermionen of bosonen. Deze classificatie is cruciaal om een ​​verscheidenheid aan fysieke systemen te begrijpen, waaronder lasers, metalen en supergeleiders. Interacties tussen elektronen of atomen in sommige tweedimensionale (2-D) systemen kunnen leiden tot de vorming van quasideeltjes die breken met de fermion-boson dichotomie; om 'niet-Abeliaanse' toestanden van materie te vormen. Veel experimentele studies proberen niet-Abelse toestanden te identificeren in systemen die de kwantum Hall (QH) effecten manifesteren (kwantisering van weerstand in tweedimensionale elektronische systemen). De identificatie van dergelijke toestanden zal nuttig zijn voor kwantumberekening.

Natuurkundigen voorspellen het samenspel van spin-helische toestanden en supergeleiding om toegang te krijgen tot niet-Abelse excitaties zoals Majorana Zero-modi (MZM). Deze toestanden kunnen de basis vormen voor quantum computing-architecturen, die profiteren van topologische beveiligingen om fouttolerantie te bereiken, waardoor een systeem in geval van storing naar behoren kan blijven werken. Onderzoekers willen verschillende technieken ontwikkelen, waaronder hybride supergeleider-halfgeleidende nanodraden en supergeleider-topologische isolatorstructuren voor dergelijke op quasideeltjes gebaseerde toepassingen. Recente onderzoeksinteresse in supergeleiding had ook geleid tot een golf van activiteit op het grensvlak van supergeleiding en het kwantum Hall (QH) -effect. Bijvoorbeeld, wetenschappers hebben afgeleid dat quasi-eendimensionale (1-D) supergeleidende contacten MZM en parafermionen mogelijk maken, terwijl heterostructuren van grafeen en hexagonaal boornitride (BN) met 1-D supergeleidende contacten opmerkelijke contacttransparantie kunnen aantonen om superstroom in het QH-regime te observeren. Echter, microscopische details van superstroom in het QH-regime blijven tot nu toe een open onderwerp.

In het huidige werk, Seredinski et al. onderzocht een grafeen Josephson-junctie met twee grafeenzijpoorten om QH-randtoestanden direct te manipuleren. Ze stemden elke poort af om de vulfactor van het Landau-niveau langs de randen te veranderen om een ​​superstroom waar te nemen, uitsluitend gelokaliseerd langs één rand. Het team bouwde de monsters van grafeen ingekapseld in hexagonaal boornitride (BN) om apparaten te beschermen tegen contaminatie en om ballistisch transport over micrometerschalen mogelijk te maken. Ze hebben de grafeen-BN-stack geëtst en vervolgens quasi-1-D-contacten gefabriceerd met het blootgestelde gebied. Ze gebruikten molybdeen-rhenium (MoRe), een type II supergeleider en scheidde de 3 μm brede contacten met 500 nm om de experimentele opstelling te vormen. In de volgende stap, ze vormden zowel de kruising als de zijpoorten door smalle greppels aan weerszijden van de contacten te etsen, om de elektronendichtheid langs de randen van de kruising efficiënt te regelen - na het aanbrengen van spanning op de grafeengebieden. Ze overlapten de geëtste greppels niet met de contacten, maar plaatsten ze op afstand met behulp van een grafeenstrook, om te voorkomen dat elektronen rechtstreeks van de supergeleider naar de rand tunnelen.

Toen Seredinksi et al. toegepast een magnetisch veld loodrecht op het monster, de kruising kwam in het QH-regime (quantum Hall) terecht. Met 1.8 Tesla, het QH-effect was zeer goed ontwikkeld en waargenomen met behulp van weerstandskaarten die werden gereproduceerd door een eenvoudige elektrostatische simulatie in het werk. Het onderzoeksteam kreeg meer inzicht in de functie van het apparaat door de zijhekken zelfstandig toe te passen. Ze observeerden de invloed van de zijpoorten op de geleiding om een ​​verwaarloosbare overspraak tussen de linkerpoort aan de rechterrand aan te tonen, en vice versa. De wetenschappers hebben de poorten afgestemd om een ​​QH-toestand te induceren om tegengestelde toestanden in het apparaat te creëren. Het team observeerde de QH-superstroom en zijn interferentiepatronen als een gebied van onderdrukte weerstand geflankeerd door pieken; kenmerkend voor een kleine superstroom. Het team regelde functies van het apparaat om de superstroom naar beide knooppunten te lokaliseren.

De superstroom varieerde niet voor kleine veranderingen in het magnetische veld. Bijvoorbeeld, toen het team een ​​zijhek aanzette, de afstand tussen de zich in tegengestelde richting voortplantende randkanalen in het apparaat vergemakkelijkte de koppeling van randtoestanden aan de supergeleider - om de superstroom te laten verschijnen. Toen ze beide zijden van de poorten tegelijkertijd aanbrachten, de afhankelijkheid van de superstroom van magnetische velden volledig veranderd. De resulterende kaart toonde een supergeleidend kwantuminterferentie-apparaat (SQUID) -achtig interferentiepatroon. Toen Seredinski et al. verkende het apparaat als een interferometer voor QH-superstromen, ze veranderden het veld in 1 T om een ​​robuustere supercharge-signatuur waar te nemen. Ze verkregen het patroon van weerstandsoscillaties in het magnetische veld, waarbij de periode van oscillaties onafhankelijk was van de poortspanning, terwijl de fase van oscillaties varieerde met de poort.

In een extra interferentiepatroon, het onderzoeksteam observeerde het verschil in de monsterweerstand tussen 0 en 10 nanoampere (nA) DC-bias, om de supergeleidende gebieden te markeren. Ze maten de kaart als een functie van beide zijpoorten en observeerden de interferentie die overeenkomt met superstromen die langs de zijpoort-1 (SG1) en zijpoort-2 (SG2) stromen. De twee poorten vertoonden een vergelijkbare efficiëntie. Toen de wetenschappers de spanning van één poort verhoogden, ze verlaagden de spanning van de tegenoverliggende poort om ongeveer hetzelfde gebied van de SQUID (supergeleidend kwantuminterferentieapparaat) te behouden. Deze gebiedsveranderingen waren voldoende om de fase van verschil over de kruising te laten evolueren, hoewel te klein om merkbare veranderingen in de periodiciteit van het magnetische veld te creëren.

Op deze manier, Andrew Seredinski en collega's toonden aan dat native grafeen zijpoorten opmerkelijk efficiënt zijn in het beheersen van de propagatie van de randtoestand in het kwantum Hall (QH) -regime. Ze observeerden superstromen veroorzaakt door de zijpoorten, worden gedragen door de QH-randstaten. Deze superstromen vloeiden onafhankelijk langs elke rand van het apparaat en konden onafhankelijk worden bestuurd door hun overeenkomstige poorten. Het experiment opent een veelbelovende nieuwe route om supergeleiders te koppelen aan QH-randtoestanden om niet-Abelse excitaties te induceren om de basis te vormen van kwantumcomputerarchitecturen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk