[논문 리뷰] Tunneling spectroscopy of graphene nanodevices coupled to large-gap superconductors

Joel I-Jan Wang, Landry Bretheau외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 25.

Graphene research and applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 Nb/NbN 초전도 전극에 결합된 그래프ène에서 단계 제어 터널링 스펙트로스코피를 수행하여 딱딱한 유도 초전도 갭과 단계에 의존하는 안드레에프 결합 상태를 규명하였다. 또한 이 이종구조 내에서 잡음이 되는 양자점이 존재함을 밝혀내었으며, 이들은 비틀림된 에너지 필터 역할을 하여 미세 전도도에서 공명 특성을 유도하였다. 이는 고자기장에서 초순수 그래프ène에서 강한 프록시미티 커플링을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초순수 그래프ène에서 큰 갭을 가진 초전도체에 의한 초전도 프록시미티 효과를 조사하기 위해.
• 터널링 스펙트로스코피를 사용하여 그래프ène 기반 조지프슨 접합에서 단계에 의존하는 상태 밀도를 탐색하기 위해.
• 프록시마티제이션된 그래프ène에서 운반을 영향을 미치는 잡음 양자점의 식별 및 특성 분석을 위해.
• 고자기장 조건에서 그래프ène-초전도체 이종구조가 비정상 입자를 수용할 잠재력을 탐색하기 위해.

제안 방법

• hBN로 둘러싸인 그래프ène, 그래파이트 프로브, 이중층 hBN 터널링 장벽을 포함한 반데발스 이종구조를 제작하였다.
• Tc ≈ 9 K이고 임계장 >9 T인 Nb/NbN 전극을 사용하여 그래프ène에서 강한 프록시미티 효과를 유도하였다.
• S-G-S 조지프슨 접합을 통해 자기장 흐름을 조절하여 단계 차이 φ를 변화시키는 단계 제어 터널링 스펙트로스코피를 수행하였다.
• 게이트 전압 Vg를 사용하여 그래프ène의 실체 농도를 전자기적으로 조절하고 상태 밀도를 탐색하였다.
• 에너지, 게이트 전압, 단계에 따라 미세 전도도 dI/dV를 분석하여 안드레에프 결합 상태와 양자점 공명을 식별하였다.
• 나노-SQUID 열량 측정 및 스펙트로스코픽 서명을 활용하여 양자점 특성의 기원을 추론하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고자기장 조건에서 큰 갭을 가진 Nb/NbN 초전도체에 결합된 그래프ène의 상태 밀도에서 초전도 프록시미티 효과는 어떻게 나타나는가?
• RQ2 터널링 스펙트럼에서 관측된 단계에 의존하는 갭 외부 특성의 기원은 무엇이며, 이는 양자점 행동과 어떻게 관련되는가?
• RQ3 그래프ène 프록시마티제이션 영역에서 안드레에프 결합 상태는 단계 차이와 실체 농도에 따라 어떻게 진화하는가?
• RQ4 반데발스 이종구조에서 존재하는 잡음 양자점은 프록시마티제이션된 그래프ène에서 터널링 스펙트로스코피 측정에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 관측된 공명 특성은 정규 전극과 초전도 전극에 비대칭적으로 결합된 약한 결합 양자점 모델로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 영단계 차이에서 그래프ène 상태 밀도는 딱딱한 유도 초전도 갭을 나타내며, 이는 안드레에프 결합 상태의 연속체와 일치한다.
• 초전도 갭 이상의 에너지에서 단계에 의존하는 에너지 준위가 나타나며, 이는 크기가 5–20 nm이고 추가 에너지가 5–60 meV인 잡음 양자점 존재를 시사한다.
• Coulomb 다이아몬드에서 음의 기울기 피크(NSDP)는 영에너지 부근에서 분리되어 나타나지만, 양의 기울기 피크(PSDP)는 그대로 유지되어 초전도 및 정규 전극에 대한 비대칭 결합을 나타낸다.
• NSDP는 단계에 따라 에너지에서 진동하며, 이는 조지프슨 단계에 의해 그래프ène 상태 밀도가 조절됨을 보여주며, φ = π에서 dI/dV 피크가 부호를 바꾼다.
• 공명 조건에서 터널링 과정이 크게 향상되며, 미세 전도도는 그래프ène 상태 밀도의 도함수 비례하므로 관측된 dI/dV의 부호 반전을 설명할 수 있다.
• 결과는 이종구조 내의 양자점이 에너지 필터 역할을 하며, 양자점 준위가 유도된 초전도 갭 가장자리와 일치할 경우 공명 터널링이 지배적임을 시사한다.