[论文解读] Full control of quantum Hall supercurrent in a side gated graphene Josephson junction

Andrew Seredinski, Anne Draelos+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2019

Graphene research and applications参考文献 25被引用 8

一句话总结

本研究通过使用同一石墨烯薄片刻蚀而成的集成侧栅，实现了对石墨烯约瑟夫森结中量子霍尔超电流的完全静电控制。通过独立调节各条边缘的载流子密度，作者实现了在反向传播边缘态中独立、局域化的超电流流动，从而能够精确调控边缘态填充因子，为通过马约拉纳零能模实现拓扑量子计算铺平了道路。

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.

研究动机与目标

• 实现石墨烯基约瑟夫森结中量子霍尔边缘态的精确、独立控制。
• 研究边缘态静电栅控对超电流局域化与输运特性的影响。
• 探索通过受控的超电流流动在量子霍尔边缘态中工程化非阿贝尔激发（如马约拉纳零能模）的可行性。
• 克服传统器件中由于无序和未定义静电势导致的边缘态控制局限性。

提出的方法

• 制备了具有两个侧栅的石墨烯约瑟夫森结，侧栅从同一石墨烯薄片刻蚀而成，与超导接触之间由100 nm石墨烯隔离。
• 使用双背栅和侧栅电压，独立调节结结构每条边缘的载流子密度和朗道能级填充因子。
• 在100 mK温度下，施加1–2 T的磁场，以进入具有明显平台的量子霍尔 regime。
• 采用有限元静电模拟，对栅压诱导的边缘态填充因子调制进行建模与验证。
• 测量微分电阻和SQUID干涉条纹，以探测沿各条边缘的超电流流动与相位相干性。
• 采用六方氮化硼封装，以保持弹道输运并减少无序引起的散射。

实验结果

研究问题

• RQ1 从同一石墨烯薄片刻蚀的侧栅是否能够实现对约瑟夫森结各条边缘载流子密度的独立控制？
• RQ2 边缘态填充因子的栅压调制如何影响超电流的局域化程度与大小？
• RQ3 能否选择性地仅在一条边缘驱动超电流，同时抑制另一条边缘的流动，从而实现边缘特异性输运？
• RQ4 边缘态工程在实现拓扑超导与非阿贝尔激发方面起到何种作用？
• RQ5 静电势与边缘无序如何影响超电流中量子干涉的相干性与可见度？

主要发现

• 侧栅实现了对边缘态填充因子的完全控制，使系统可进入下一朗道能级，并独立调节每条边缘的载流子极性。
• 超电流被精确局域在激活侧栅的边缘，证明了独立、边缘特异性的超电流流动。
• 当两侧栅电压对称设置为-1 V时，量子霍尔平台最为对称且发育良好，表明边缘态控制达到最优。
• SQUID干涉条纹呈现对角斜率，表明两侧栅在调制超电流相位方面具有相当的效率。
• 在栅压控制的边缘态交汇处观察到的干涉图案，证实了对每条边缘超电流相位的独立控制。
• 有限元模拟再现了电阻图中菱形形状的电导平台，验证了边缘态工程的静电模型。