[論文レビュー] Proximity superconductivity in ballistic graphene, from Fabry-Perot oscillations to random Andreev states in magnetic field

M. Ben Shalom, Mengjian Zhu+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2015

Graphene research and applications参考文献 35被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、ミクロンスケールの平均自由行程を有する平衡的グラフェンヨセフソン接合において、近接効果誘発超伝導を実証し、正規状態抵抗および臨界電流の両方においてファブリ・ペロー干渉縞を明らかにした。強い磁場によって大部分の超伝導近接効果が抑制される中、局在したアンドレーエフ束縛状態は1 Tまで存続し、普遍的限界 eD/h に近いランダムな超電流状態を形成する。これは、量子閉じ込めとサイクロトロン運動が、新規な近接状態を制御していることを示している。

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.

研究の動機と目的

• 長時間の電子平均自由行程を有する平衡的グラフェンにおける近接超伝導を調査すること。
• 磁場がグラフェンベースのヨセフソン接合における超電流輸送に及ぼす影響を理解すること。
• 強い磁場下でも超伝導状態を維持する要因としての量子閉じ込めとサイクロトロン運動の役割を調査すること。
• 磁場およびキャリア濃度依存のランダムな超電流状態の出現を特定・特徴付けること。

提案手法

• ミクロンスケールの平均自由行程と低接触抵抗を有するグラフェンヨセフソン接合の作製。
• ゲート電圧および磁場の関数としての正規状態抵抗および臨界電流の測定。
• 両方の量においてファブリ・ペロー干渉縞の観察により、コherent電子輸送を確認。
• 1 Tまでの磁場を適用し、近接効果誘発超伝導の抑制および存続を調査。
• 低磁場におけるフラウンホーファー型パターンの分析および高磁場における超電流の異常な存続の検証。
• グラフェン端縁部に局在した個々のアンドレーエフ束縛状態が、高磁場における超伝導状態の起源であることを同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平衡的グラフェン接合において、ファブリ・ペロー干渉縞は正規状態抵抗および臨界電流の両方でどのように現れるか？
• RQ2 10 mT未満の磁場で著しく抑制されるにもかかわらず、なぜ超伝導性が1 Tまで存続するのか？
• RQ3 高磁場下で普遍的限界 eD/h に近い超電流を維持する物理的メカニズムは何か？
• RQ4 量子閉じ込めとサイクロトロン運動は、グラフェンにおけるアンドレーエフ束縛状態の形成にどのように寄与するか？
• RQ5 磁場およびキャリア濃度の関数として、超電流状態がランダムに出現・消滅する要因は何か？

主な発見

• 正規状態抵抗および臨界電流の両方においてファブリ・ペロー干渉縞が観測され、平衡的グラフェン接合におけるコherent輸送が確認された。
• 近接効果は10 mT未満の磁場で著しく抑制され、従来のフラウンホーファーパターンに従った。
• 驚くべきことに、超伝導近接効果は1 Tまで存続し、従来の予想をはるかに超える頑健性を示した。
• グラフェン端縁部に局在した個々のアンドレーエフ束縛状態が、高磁場における超電流の原因である。
• 各持続的超電流状態は、超伝導ギャップ D に依存する普遍的限界 eD/h に近い電流を運ぶ。
• 超電流状態のランダムな出現・消滅は、量子閉じ込めとサイクロトロン運動によって制御され、調整可能な近接状態を実現する。