[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究展示了在平均自由程为微米量级的弹道石墨烯约瑟夫森结中，由近邻效应诱导的超导性，揭示了正常态电阻和临界电流中的法布里-珀罗振荡。尽管强磁场强烈抑制了大多数超导近邻效应，局部的Andreev束缚态仍可维持至1 T，使近似普遍极限eD/h的随机超流态得以实现，表明量子局域化与回旋运动对新型近邻效应具有调控作用。

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.

研究动机与目标

• 研究具有长电子平均自由程的弹道石墨烯中的近邻超导性。
• 理解磁场如何影响石墨烯基约瑟夫森结中的超流输运。
• 探讨量子局域化与回旋运动在强磁场下维持超导态中的作用。
• 识别并表征随磁场和载流子浓度变化而随机出现与消失的超流态。

提出的方法

• 制备具有微米量级平均自由程和低接触电阻的石墨烯约瑟夫森结。
• 测量正常态电阻和临界电流随栅压和磁场的变化。
• 观测到电阻和临界电流中的法布里-珀罗振荡，表明电子输运具有相干性。
• 施加最高达1 T的磁场，以探测近邻诱导超导性的抑制与持续性。
• 分析低磁场下的弗朗霍夫形图案以及高磁场中超流的异常持续性。
• 识别靠近石墨烯边缘的单个Andreev束缚态，作为高场超导态的起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 法布里-珀罗振荡在弹道石墨烯结的正常态电阻和临界电流中如何表现？
• RQ2 为何尽管在低于10 mT的磁场下超导性被强烈抑制，超导性仍能在高达1 T的磁场下持续存在？
• RQ3 在强磁场下，何种物理机制使超流接近普遍极限eD/h？
• RQ4 量子局域化与回旋运动如何影响石墨烯中Andreev束缚态的形成？
• RQ5 何种因素决定超流态随磁场和载流子浓度随机出现与消失？

主要发现

• 在正常态电阻和临界电流中均观测到法布里-珀罗振荡，证实了弹道石墨烯结中具有相干输运。
• 近邻效应在低于10 mT的磁场下被强烈抑制，遵循传统的弗朗霍夫图案。
• 出人意料的是，超导近邻效应可维持至1 T，表明其鲁棒性远超传统预期。
• 靠近石墨烯边缘的单个Andreev束缚态是高场超流态的根源。
• 每个持续的超流态所携带的电流均接近普遍极限eD/h，其中D为超导能隙。
• 超流态的随机出现与消失由量子局域化与回旋运动决定，从而实现可调的近邻效应区域。