[論文レビュー] Tunneling spectroscopy of graphene nanodevices coupled to large-gap superconductors

Joel I-Jan Wang, Landry Bretheau+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2018

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、Nb/NbN超伝導電極と結合したグラフェンに対して位相制御トンネル分光法を実施し、強誘起された超伝導ギャップと位相依存性を示すアンドレエフ境界状態を明らかにした。さらに、ヘテロ構造内に不純物として存在する量子ドットが、微分伝導度に共鳴的特徴を引き起こすエネルギー選択フィルターとして機能することを特定した。これは、高磁場下における超純粋なグラフェンにおける強いプロキシミティ結合を示している。

ABSTRACT

We performed tunneling spectroscopy measurements of graphene coupled to niobium/niobium-nitride superconducting electrodes. Due to the proximity effect, the graphene density of states depends on the phase difference between the superconductors and exhibits a hard induced gap at zero phase, consistent with a continuum of Andreev bound states. At energies larger than the superconducting gap, we observed phase-dependent energy levels displaying the Coulomb blockade effect, which are interpreted as arising from spurious quantum dots, presumably embedded in the heterostructures and coupled to the proximitized graphene.

研究の動機と目的

• 超純粋なグラフェンが大ギャップ超伝導体と結合する際の超伝導プロキシミティ効果を調査すること。
• トンネル分光法を用いて、グラフェンベースのジョセフソン接合における位相依存性密度状態をプローブすること。
• プロキシマイズドグラフェンの輸送に影響を与える不純物量子ドットを特定・特徴付けること。
• 高磁場下におけるエキゾチックな準粒子を宿す可能性を有するグラフェン-超伝導体ヘテロ構造の可能性を探ること。

提案手法

• hBNで封止されたグラフェン、石墨プローブ、二重層hBNトンネル障壁を有するヴァン・デル・ワールスヘテロ構造を形成した。
• Tc ≈ 9 Kで臨界磁場 >9 TのNb/NbN電極を用い、グラフェンに強いプロキシミティ効果を誘起した。
• S-G-Sジョセフソン接合を通じた磁束を調整することで、位相差φを変化させ、位相制御トンネル分光法を実施した。
• ゲート電圧Vgを用いてグラフェンのキャリア密度を電気的にチューニングし、密度状態をプローブした。
• エネルギー、ゲート電圧、位相の関数として微分伝導度dI/dVを分析し、アンドレエフ境界状態と量子ドット共鳴を特定した。
• ナノSQUID熱測定と分光的シグナルを用いて、量子ドット特徴の起源を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高磁場下における大ギャップNb/NbN超伝導体と結合したグラフェンの密度状態に、超伝導プロキシミティ効果がどのように現れるか。
• RQ2 トンネル分光法で観測された位相依存性のギャップ外特徴の起源は何か。また、それらは量子ドット行動とどのように関係しているか。
• RQ3 グラフェンプロキシミティ領域におけるアンドレエフ境界状態は、位相差とキャリア密度の変化に伴いどのように変化するか。
• RQ4 ヴァン・デル・ワールスヘテロ構造内の不純物量子ドットが、プロキシマイズドグラフェンにおけるトンネル分光測定に及ぼす影響の程度はどの程度か。
• RQ5 非対称に通常電極および超伝導電極に結合する弱い結合量子ドットモデルによって、観測された共鳴的特徴を説明できるか。

主な発見

• ゼロ位相差におけるグラフェンの状態密度は、連続的なアンドレエフ境界状態に一致する硬い誘起超伝導ギャップを示した。
• 超伝導ギャップより高いエネルギーに位相依存性エネルギー準位が出現しており、5–20 nmのサイズと5–60 meVの追加エネルギーを有する不純物量子ドットの存在を示している。
• 負の傾きを示すダイヤモンドピーク（NSDP）はゼロエネルギー付近で分裂するが、正の傾きピーク（PSDP）はそのままであるため、超伝導電極および通常電極への非対称結合が示唆される。
• NSDPは位相に応じてエネルギーが変動し、ジョセフソン位相によってグラフェンの状態密度が変調されていることを示しており、dI/dVピークがφ = πで符号を変える。
• 共鳴時にトンネル過程が強く増幅され、微分伝導度がグラフェンの状態密度の微分に比例することから、dI/dVの符号反転が説明できる。
• 結果から、ヘテロ構造内の量子ドットがエネルギー選択フィルターとして機能しており、ドット準位が誘起された超伝導ギャップ端に一致する際に、輸送が共鳴トンネルによって支配されることが示唆される。