[논문 리뷰] Full control of quantum Hall supercurrent in a side gated graphene Josephson junction

Andrew Seredinski, Anne Draelos외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 17.

Graphene research and applications참고 문헌 25인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 동일한 그래핀 플레이크에서 조각낸 통합 측면 게이트를 사용하여 그래핀 조지프슨 접합에서 양자 홀 초전류를 완전히 전기적으로 제어함을 보여준다. 개별 모서리의 실현 밀도를 조절함으로써 저자들은 반대 방향으로 흐르는 모서리 상태에서 독립적이고 局부적인 초전류 흐름을 달성하였으며, 이는 모서리 상태의 충만도 요인을 정밀하게 제어하고 마요라나 제로 모드를 통한 토폴로지 양자 컴퓨팅으로 이르는 길을 열어준다.

ABSTRACT

We present a study of a graphene-based Josephson junction with dedicated side gates carved from the same sheet of graphene as the junction itself. These side gates are highly efficient, and allow us to modulate carrier density along either edge of the junction in a wide range. In particular, in magnetic fields in the $1-2$ Tesla range, we are able to populate the next Landau level, resulting in Hall plateaus with conductance that differs from the bulk filling factor. When counter-propagating quantum Hall edge states are introduced along either edge, we observe supercurrent localized along that edge of the junction. Here we study these supercurrents as a function of magnetic field and carrier density.

연구 동기 및 목표

• 그래핀 기반 조지프슨 접합에서 양자 홀 모서리 상태를 정밀하고 독립적으로 제어하는 것.
• 모서리 상태의 전기적 게이팅이 초전류 국소화 및 운반에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 양자 홀 모서리 상태에서 제어된 초전류 흐름을 통해 마요라나 제로 모드와 같은 비아벨 응집 상태를 엔지니어링할 수 있는지 탐색하는 것.
• 기존 장치에서의 불규칙성과 정의되지 않은 전기적 잠재력으로 인한 모서리 상태 제어의 한계를 극복하는 것.

제안 방법

• 초전도체 접촉으로부터 100 nm 떨어진 동일한 그래핀 플레이크에서 조각낸 두 개의 측면 게이트를 갖는 그래핀 조지프슨 접합을 제작하였다.
• 이중 배경 및 측면 게이트 전압을 사용하여 접합의 각 모서리에 따라 실현 밀도와 랑주 수준 충만도 요인을 독립적으로 조절하였다.
• 1–2 T의 자기장에서 100 mK에서 운반 측정을 수행하여 잘 정의된 플랫폼을 가진 양자 홀 영역에 접근하였다.
• 유한 요소 전기적 시뮬레이션을 사용하여 게이트 유도 전기적 조절이 모서리 상태 충만도 요인에 미치는 영향을 모델링하고 검증하였다.
• 차등 저항과 SQUID 간섭 무늬 측정을 통해 개별 모서리에 따른 초전류 흐름과 위상 일관성을 탐색하였다.
• 구형 박리질화붕소화물(BN) 봉입을 사용하여 구동성 운반을 유지하고 불순물에 의한 산산만한 산란을 줄였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일한 그래핀 플레이크에서 조각낸 측면 게이트가 조지프슨 접합의 개별 모서리에 대한 실현 밀도를 독립적으로 제어할 수 있는가?
• RQ2 모서리 상태 충만도 요인의 게이트 유도 조절이 초전류의 국소화 및 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 한 모서리로만 초전류를 선택적으로 유도하면서 다른 모서리의 흐름을 억제할 수 있는가? 이는 모서리 특화 운반을 가능하게 하는가?
• RQ4 모서리 상태 엔지니어링은 어떻게 토폴로지 초전도성과 비아벨 응집 상태를 가능하게 하는가?
• RQ5 전기적 잠재력과 모서리 불순물이 초전류의 간섭 일관성과 가시성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 측면 게이트를 통해 모서리 상태 충만도 요인을 완전히 제어할 수 있었으며, 이는 다음 랑주 수준에 접근하고 각 모서리에서 실현 극성의 독립적 조절이 가능함을 의미한다.
• 초전류는 측면 게이트가 활성화된 모서리에만 국소화되어, 독립적이고 모서리 특화된 초전류 흐름이 실현됨을 입증하였다.
• 측면 게이트 전압이 대칭적으로 -1 V일 때, 양자 홀 플랫폼이 가장 대칭적이고 잘 정의되었으며, 이는 최적의 모서리 상태 제어를 의미한다.
• SQUID 간섭 무늬에서 대각선 기울기가 관측되어 두 측면 게이트가 초전류 위상 조절에 유사한 효율성을 가짐을 나타냈다.
• 게이트 제어 모서리 상태의 교차점에서 관측된 간섭 무늬는 각 모서리에서 초전류 위상의 독립적 제어를 확인하였다.
• 유한 요소 시뮬레이션은 저항도에서 ди아몬드 형태의 도전도 플랫폼을 재현하였으며, 모서리 상태 엔지니어링의 전기적 모델을 검증하였다.