Onderzoekers met Europa's Graphene Flagship hebben supergeleidende elektrische stromen aangetoond in het tweedimensionale materiaal grafeen dat zonder verstrooiing tussen bladranden stuitert. Deze eerste directe observatie van de ballistische spiegeling van elektronengolven in een 2D-systeem met superstromen zou kunnen leiden tot het gebruik van op grafeen gebaseerde Josephson-juncties in toepassingen zoals geavanceerde digitale logische circuits, ultragevoelige magnetometers en voltmeters.

Een Josephson-junctie wordt gemaakt door een dunne laag niet-supergeleidend materiaal tussen twee supergeleidende lagen te sandwichen. Verstrengelde paren supergeleidende elektronen, bekend als Cooper-paren, kunnen onder bepaalde omstandigheden zonder weerstand door de isolerende of gedeeltelijk isolerende middenlaag reizen.

De weerstandsvrije stroom treedt op tot een kritische stroom, waarboven een in de tijd variërende (wissel)spanning over de junctie wordt ingesteld. Het detecteren en meten van de verandering tussen huidige toestanden is de basis van veel toepassingen die gebruikmaken van Josephson-knooppunten.

Elektronische logische circuits kunnen worden opgebouwd uit arrays van Josephson-juncties, die ook worden gebruikt in supergeleidende kwantuminterferentie-apparaten. SQUID's zijn extreem gevoelig voor elektromagnetische velden, en vormen de basis van magnetometers die velden kunnen meten die zo laag zijn als een paar attotesla's (10-18T), en voltmeters die reageren op potentiaalverschillen van picovolts (10-12V).

Praktische toepassingen van dergelijke ultragevoelige apparaten omvatten het meten van neurologische stromen in de hersenen of het hart, en geofysisch onderzoek. Militaire toepassingen zijn onder meer detectie van onderzeeërs op afstand.

In het laatste nummer van het tijdschrift Natuur Nanotechnologie , een internationaal team van natuurkundigen onder leiding van Graphene Flagship-lid Lieven Vandersypen, die is gevestigd aan het Kavli Institute of Nanoscience in Delft, ondubbelzinnige handtekeningen van Josephson-knooppunten in grafeen aantonen, een tweedimensionale allotroop van koolstofatomen gerangschikt in een hexagonaal rooster. In de krant, waarvan de hoofdauteurs Victor Calado en Srijit Goswami zijn, de onderzoekers kijken naar ballistische superstromen in grafeen, waarbij de elektronen spiegelen tussen eendimensionale randcontacten gemaakt van molybdeen-renium.

Het ultraschone grafeen dat in het experiment werd gebruikt - dat nodig is om de unieke elektrische eigenschappen van het materiaal te behouden - wordt beschermd tegen omgevingsverontreiniging door te worden ingekapseld tussen vellen van het isolerende 2d-materiaal hexagonaal boornitride. Deze drielaagse stapel wordt vervolgens in de gewenste vorm gesneden, en het grafeen in contact gebracht met de supergeleidende legering.

Net als bij licht dat heen en weer kaatst tussen twee spiegels, wat leidt tot een interferentiepatroon dat is ontstaan ​​door de superpositie van invallende en gereflecteerde elektromagnetische golven, elektronen kunnen reflecteren vanaf de randen van een supergeleider. Het verschil is dat elektroneninterferentie alleen wordt waargenomen in ultraschone monsters, waarin het voor de geladen deeltjes mogelijk is om in ballistische banen te bewegen met minimale verstrooiing door onzuiverheden in het materiaal.

Dit is wat Calado, Goswami en collega's observeerden in hun opstelling, met een opvallende modulatie van de superstroom. In hun Nature Nanotechnology paper, de onderzoekers verwijzen naar de kritische stroom die oscilleert als gevolg van fasecoherente interferentie van de elektronen en elektronengaten die de stroom voeren. Dit wordt veroorzaakt door de vorming van een resonante (Fabry-Pérot) holte tussen de spiegelpunten. Verder, relatief grote superstromen worden gezien, reizen over afstanden tot 1,5 micrometer. De onderzoekers denken dat dit de eerste directe waarneming is van de ballistische spiegeling van superstromen in grafeen.

"Dit werk stelt ons in staat om nieuwe fysica te ontrafelen die verband houdt met het samenspel tussen supergeleiding en het relativistische gedrag van elektronen in grafeen, " zei Goswami. "Met deze technologie, we kunnen grafeen Josephson-knooppunten bestuderen en exploiteren in een nieuwe, spannend regime."