[論文レビュー] Andreev reflection near the Dirac point at Graphene - NbSe2 junction

Manas Ranjan Sahu, Pratap Raychaudhuri+1 more|NOT FOUND REPOSITORY (Indian Institute of Science Bangalore)|Jun 8, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、ディラック点を通過するフェルミ準位の調整によって、単層グラフェン–NbSe₂ジャンクションにおけるレトロから鏡像（スペキュラー）アンドレーエフ反射への遷移を調査した。高品質なhBN支持グラフェンを用い、フェルミエネルギーの幅を非常に小さく（約10 meV）した結果、ディラック点付近で微分電導が抑制されることを観測した。これは、臨界角を超える入射角ではアンドレーエフ反射が遮断され、非レトロ（スペキュラー）反射の始まりを示しており、BTK理論に基づくモデルとよく一致している。

ABSTRACT

Despite extensive search for about a decade, specular Andreev reflection is only recently realized in bilayer graphene-superconductor interface. However, the evolution from the typical retro type Andreev reflection to the unique specular Andreev reflection in single layer graphene has not yet been observed. We investigate this transition by measuring the differential conductance at the van der Walls interface of single layer graphene and NbSe2 superconductor. We find that the normalized conductance becomes suppressed as we pass through the Dirac cone via tuning the Fermi level and bias energy, which manifests the transition from retro to non-retro type Andreev reflection. The suppression indicates the blockage of Andreev reflection beyond a critical angle of the incident electron with respect to the normal between the single layer graphene and the superconductor junction. The results are compared with a theoretical model of the corresponding setup.

研究の動機と目的

• 単層グラフェン–超伝導体ジャンクションにおけるレトロから非レトロ（スペキュラー）アンドレーエフ反射への遷移を観測すること。
• フェルミエネルギーをディラック点を通過させる調整が、アンドレーエフ反射効率に与える影響を調査すること。
• hBNカプセル化を用いて電荷パドルに起因する実験的ノイズを最小限に抑え、フェルミエネルギーの幅を低く（約10 meV）すること。
• 実験的電導測定値と、アンドレーエフ反射確率を予測する理論的BTKモデルの予測を比較すること。

提案手法

• 電荷パドルに起因するフェルミエネルギーの幅を低減するため、剥離したhBN支持単層グラフェンを用いた。
• 超伝導ギャップが約2 meVのNbSe₂を超伝導体として用いた。
• バックゲートを用いたフィールド効果構造により、フェルミ準位とバイアス電圧を調整した。
• 微分電導（dI/dV）をゲート電圧（V_BG）およびソース・ドレイン電圧（V_SD）の関数として測定し、ファブリ・ペロー干渉縞を観測した。
• ブロナー＝ティンカム＝クラプウィック（BTK）理論を用いて、アンドレーエフ反射確率をモデル化し、角度依存透過および臨界角（θ_c）効果を組み込んだ。
• 実験的電導ライン形状に一致させるために、シミュレーションにガウス型のフェルミエネルギーの幅を導入し、ドーピングの不均一性を補正した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミ準位をディラック点を通過させる調整が、単層グラフェン–NbSe₂ジャンクションにおけるアンドレーエフ反射に与える影響は何か？
• RQ2 レトロからスペキュラーアンドレーエフ反射への遷移を示す実験的兆候は何か？
• RQ3 フェルミエネルギーの幅が、グラフェンベースのジャンクションにおけるスペキュラーアンドレーエフ反射の観測をどの程度制限するか？
• RQ4 BTKに基づく理論的モデルは、ディラック点付近での観測された電導抑制をどの程度よく再現するか？
• RQ5 臨界角（θ_c）が、高角度で入射する電子に対してアンドレーエフ反射を遮断する役割を果たすのはどのような仕組みか？

主な発見

• フェルミ準位をディラック点を通過させるに従い、正規化電導（G_T<Tc / G_T>Tc）が抑制され、アンドレーエフ反射効率の低下を示している。
• 電導の抑制は、アンドレーエフ反射が遮断される臨界角（θ_c）の出現と相関しており、非レトロ（スペキュラー）反射の始まりを示している。
• 観測された電導抑制は、特に角度依存アンドレーエフ反射確率を考慮したBTK形式に基づく理論予測とよく一致している。
• hBNカプセル化のおかげで、有効なフェルミエネルギーの幅が約10 meVにまで低減され、遷移の明確な観測が可能になった。
• ジャンクションにおける透過確率は約0.7であり、障壁透過率パラメータZ ≈ 0.73であった。これは理論モデルと整合的であった。
• ガウス型のフェルミエネルギー幅を含むシミュレーションは、実験的電導特性（特に、障害要因を考慮しない理想的な状況では正規化電導が1を超える現象）を再現した。