[论文解读] Andreev reflection near the Dirac point at Graphene - NbSe2 junction

Manas Ranjan Sahu, Pratap Raychaudhuri+1 more|NOT FOUND REPOSITORY (Indian Institute of Science Bangalore)|Jun 8, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用 6

一句话总结

本研究通过调节费米能级穿过狄拉克点，探究了单层石墨烯–NbSe₂结中从反向安德烈耶夫反射到镜面安德烈耶夫反射的转变。利用高质量hBN支撑的石墨烯，其费米能级展宽极低（~10 meV），作者观察到在狄拉克点附近微分电导被抑制，表明超过临界角度后安德烈耶夫反射被阻断，这标志着非反向（镜面）反射的开始，与基于BTK理论的建模结果高度一致。

ABSTRACT

Despite extensive search for about a decade, specular Andreev reflection is only recently realized in bilayer graphene-superconductor interface. However, the evolution from the typical retro type Andreev reflection to the unique specular Andreev reflection in single layer graphene has not yet been observed. We investigate this transition by measuring the differential conductance at the van der Walls interface of single layer graphene and NbSe2 superconductor. We find that the normalized conductance becomes suppressed as we pass through the Dirac cone via tuning the Fermi level and bias energy, which manifests the transition from retro to non-retro type Andreev reflection. The suppression indicates the blockage of Andreev reflection beyond a critical angle of the incident electron with respect to the normal between the single layer graphene and the superconductor junction. The results are compared with a theoretical model of the corresponding setup.

研究动机与目标

• 观察单层石墨烯-超导结中从反向到非反向（镜面）安德烈耶夫反射的转变。
• 研究通过狄拉克点调节费米能级对安德烈耶夫反射效率的调控作用。
• 通过六方氮化硼（hBN）封装最小化电荷 puddles 引起的实验噪声，实现低费米能级展宽（~10 meV）。
• 将实验测得的电导与基于BTK理论模型预测的安德烈耶夫反射概率进行比较。

提出的方法

• 采用机械剥离的hBN支撑单层石墨烯，以减少电荷 puddles 引起的费米能级展宽。
• 使用NbSe₂作为超导体，其超导能隙约为~2 meV。
• 通过背栅场效应结构进行输运测量，以调节费米能级和偏置电压。
• 测量微分电导（dI/dV）随栅压（V_BG）和源漏电压（V_SD）的变化，揭示了法布里-珀罗振荡。
• 应用布莱德勒-廷克汉姆-克拉普威克（BTK）理论建模安德烈耶夫反射概率，结合角度依赖的透射性和临界角（θ_c）效应。
• 在模拟中引入高斯展宽以匹配实验测得的电导线形，考虑掺杂不均匀性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过狄拉克点调节费米能级如何影响单层石墨烯–NbSe₂结中的安德烈耶夫反射？
• RQ2 什么实验特征可作为从反向到镜面安德烈耶夫反射转变的信号？
• RQ3 费米能级展宽在多大程度上限制了石墨烯基结中镜面安德烈耶夫反射的观测？
• RQ4 基于BTK的理论模型在多大程度上能再现狄拉克点附近观测到的电导抑制现象？
• RQ5 临界角（θ_c）在阻断高角度入射电子的安德烈耶夫反射中起什么作用？

主要发现

• 当费米能级通过狄拉克点时，归一化电导（G_T<Tc / G_T>Tc）被抑制，表明安德烈耶夫反射效率降低。
• 电导抑制与临界角（θ_c）的出现相关，超过该角度后安德烈耶夫反射被阻断，标志着非反向（镜面）反射的开始。
• 观测到的电导抑制与基于BTK形式理论的预测高度吻合，尤其在角度依赖的安德烈耶夫反射概率方面。
• 由于hBN封装，有效费米能级展宽估计为~10 meV，从而更清晰地观测到该转变。
• 结处测得的透射概率约为0.7，势垒透明度参数Z ≈ 0.73，与理论模型一致。
• 引入费米能级高斯展宽的模拟成功再现了实验中的电导特征，包括在理想情况下归一化电导超过单位一的现象（在考虑势垒前）。