[論文レビュー] Visualization of phase-coherent electron interference in a ballistic graphene Josephson junction

Monica Allen, Oles Shtanko+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2015

Mechanical and Optical Resonators参考文献 35被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、フレネル干渉計を用いて、バルチックなグラフェンヨセフソン接合における位相整合性を持つ電子干渉を直接可視化した。その結果、エッジ電流とバルク電流の寄与が明確に分離された。主な発見は、現実的な不純物を含むエッジが実際にバルチック輸送および位相整合性のある干渉を促進することであり、エッジ散乱が位相整合性を破壊するという仮定とは矛盾する。

ABSTRACT

Interference of standing waves in electromagnetic resonators forms the basis of many technologies, from telecommunications and spectroscopy to detection of gravitational waves. However, unlike the confinement of light waves in vacuum, the interference of electronic waves in solids is complicated by boundary properties of the crystal, notably leading to electron guiding by atomic-scale potentials at the edges. Understanding the microscopic role of boundaries on coherent wave interference is an unresolved question due to the challenge of detecting charge flow with submicron resolution. Here we employ Fraunhofer interferometry to achieve real-space imaging of cavity modes in a graphene Fabry-Perot resonator, embedded between two superconductors to form a Josephson junction. By directly visualizing current flow using Fourier methods, our measurements reveal surprising redistribution of current on and off resonance. These findings provide direct evidence of separate interference conditions for edge and bulk currents and reveal the ballistic nature of guided edge states. Beyond equilibrium, our measurements show strong modulation of the multiple Andreev reflection amplitude on an off resonance, a direct measure of the gate-tunable change of cavity transparency. These results demonstrate that, contrary to the common belief, electron interactions with realistic disordered edges facilitate electron wave interference and ballistic transport.

研究の動機と目的

• サブミクロン分解能で、グラフェンファーブリ・ペロの共鳴器におけるスーパーカレントの空間的分布を解明すること。
• バルチックなグラフェンにおいて、電子波の干渉が現実的な結晶境界の影響を受ける様子を調査すること。
• エッジ状態がヨセフソン接合における干渉パターンに位相整合性を持って寄与するかどうかを特定すること。
• ゲート可変パラメータを用いて、キャビティ透過率と多重アンドレーエフ反射（MAR）振幅の関係を調査すること。

提案手法

• プロキシミティ効果によって誘発される超伝導性をグラフェンヨセフソン接合に用い、アンドレーエフ反射とスーパーカレントの流れを可能にした。
• フーリエ解析を用いたフレネル干渉計法により、実空間における電流を運ぶ状態の空間的構造を像として得た。
• バックゲート電圧を調整してキャビティ内のフェルミ波長を変化させ、超伝導リードのフェルミエネルギーと共鳴状態と非共鳴状態を行き来した。
• 電圧バイアス分光測定を実施し、MARの揺動をキャビティ透過率および共鳴条件と照合した。
• 実験的I-V曲線にフィットするため、異なる透過確率（T ≈ 0.3, 0.6, 0.9）を持つ透過固有チャネルの和として全電流をモデル化した。
• 短接合理論を適用し、MARの可視性および接合透過率を解釈した。観測された電導度およびI-Vデータによって制約された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バルチックなグラフェンヨセフソン接合において、エッジ電流とバルク電流の寄与は、干渉行動においてどのように異なるか？
• RQ2 原子的に鋭いエッジが、位相整合性を持つ電子干渉を抑制するのか、あるいは増幅するのか？
• RQ3 キャビティの透過率は共鳴時と非共鳴時にどのように変化し、多重アンドレーエフ反射にどのような影響を与えるか？
• RQ4 スーパーカレントの実空間像像が、ガイドされたエッジ状態のバルチック性を明らかにできるか？
• RQ5 キャビティの共鳴条件とMARピークの振幅の関係は何か？

主な発見

• フレネル干渉計による実空間像像により、共鳴時と非共鳴時に電流の驚くべき再分配が観測された。エッジ電流は位相整合性を保ち、バルチック輸送を示した。
• エッジ状態は抑制されず、干渉縞に寄与しており、原子スケールの不純物が存在しても位相整合性輸送を支えることが示された。
• 多重アンドレーエフ反射ピークの振幅は、キャビティ共鳴状態によって強く変調され、共鳴時にはMARが抑制され、非共鳴時には増幅された。
• 共鳴時には、透過固有値の分布がより高い透過率（T ≈ 0.9）にシフトし、接合透過率および正規状態電導度が増加した。
• 透過確率T ≈ 0.3, 0.6, 0.9の多チャンネル透過モデルを用いたI-V曲線へのフィットは実験と良好に一致し、共鳴時に高透過チャンネルの寄与が増加していることを確認した。
• 測定された正規状態電導度は、モデルの予測よりも低く、短接合理論からの逸脱または非線形p-n接合挙動の可能性を示唆した。