[논문 리뷰] Proximity superconductivity in ballistic graphene, from Fabry-Perot oscillations to random Andreev states in magnetic field

M. Ben Shalom, Mengjian Zhu외 9명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 13.

Graphene research and applications참고 문헌 35인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 평균 자유경로가 마이크론 스케일인 비산란 그래핀 조지프슨 접합에서의 근접 효과에 의해 유도된 초전도성을 입증하며, 정상 상태 저항과 임계 전류에서 모두 파브리-페로 간섭 무늬를 규명한다. 강한 자기장에 의해 대부분의 초전도성 근접 효과가 억제됨에도 불구하고, 국소화된 안드리에프 결합 상태는 1 T까지 지속되며, 이는 유니버설 한계 eD/h 근처의 무작위 초전류 상태를 가능하게 하여 양자적 구속과 사이클로트론 운동이 새로운 근접 영역을 제어함을 시사한다.

ABSTRACT

Graphene-based Josephson junctions have attracted significant interest as a novel system to study the proximity effect due to graphene's unique electronic spectrum and the possibility to tune junction properties by gate voltage. Here we describe graphene junctions with the mean free path of several micrometers, low contact resistance and large supercurrents. Such devices exhibit pronounced Fabry-Perot oscillations not only in the normal-state resistance but also in the critical current. The proximity effect is mostly suppressed in magnetic fields of <10 mT, showing the conventional Fraunhofer pattern. Unexpectedly, some proximity survives even in fields as high as 1 T. Superconducting states randomly appear and disappear as a function of field and carrier concentration, and each of them exhibits a supercurrent carrying capacity close to the universal limit of eD/h where D is the superconducting gap, e the electron charge and h Planck's constant. We attribute the high-field Josephson effect to individual Andreev bound states that persist near graphene edges. Our work reveals new proximity regimes that can be controlled by quantum confinement and cyclotron motion.

연구 동기 및 목표

• 긴 전자 평균 자유경로를 가진 비산란 그래핀에서의 근접 초전도성을 조사하기 위해.
• 자기장이 그래핀 기반 조지프슨 접합에서의 초전류 운반에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 강한 자기장 하에서 초전도 상태를 유지하는 데 있어 양자적 구속과 사이클로트론 운동의 역할을 탐색하기 위해.
• 무작위로 나타나고 사라지는 자기장 및 실리콘 농도 의존성 초전류 상태를 식별하고 특성화하기 위해.

제안 방법

• 마이크론 스케일의 평균 자유경로와 낮은 접촉 저항을 가진 그래핀 조지프슨 접합의 제작.
• 게이트 전압과 자기장에 따른 정상 상태 저항 및 임계 전류 측정.
• 일관된 전자 운반을 나타내는 저항과 임계 전류에서의 파브리-페로 간섭 무늬 관찰.
• 1 T까지의 자기장 적용을 통한 근접 유도 초전도성의 억제 및 지속성 탐색.
• 저자기장에서의 프라운호퍼 유사 패턴과 고자기장에서의 초전류 이면의 이례적 지속성 분석.
• 그래핀 가장자리 근처에 국소화된 개별 안드리에프 결합 상태가 고자기장 초전류 상태의 근원임을 규명.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비산란 그래핀 접합에서 파브리-페로 간섭 무늬는 정상 상태 저항과 임계 전류에 어떻게 나타나는가?
• RQ2 10 mT 이하의 자기장에서 억제되는 것으로 알려진 초전도성에 비해, 왜 초전도성이 1 T까지 지속되는가?
• RQ3 고자기장에서 유니버설 한계 eD/h 근처의 초전류를 유지하는 데 작용하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 양자적 구속과 사이클로트론 운동은 그래핀에서 안드리에프 결합 상태 형성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 자기장과 실리콘 농도에 따라 무작위로 나타나고 사라지는 초전류 상태의 결정 요인은 무엇인가?

주요 결과

• 정상 상태 저항과 임계 전류에서 모두 파브리-페로 간섭 무늬가 관측되어 비산란 그래핀 접합에서의 일관된 운반을 확인한다.
• 근접 효과는 10 mT 이하의 자기장에서 전통적인 프라운호퍼 패턴을 따르며 강하게 억제된다.
• 놀랍게도 초전도성 근접 효과는 1 T까지 지속되며, 기존 기대를 초월한 강건성을 보인다.
• 그래핀 가장자리 근처에 국소화된 개별 안드리에프 결합 상태가 고자기장 초전류의 원인이 된다.
• 지속적인 초전류 상태는 초전도 갭 D에 따라 유니버설 한계 eD/h 근처의 전류를 지닌다.
• 무작위로 나타나고 사라지는 초전류 상태는 양자적 구속과 사이클로트론 운동에 의해 제어되며, 조절 가능한 근접 영역을 가능하게 한다.