[论文解读] Tunneling spectroscopy of graphene nanodevices coupled to large-gap superconductors

Joel I-Jan Wang, Landry Bretheau+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2018

Graphene research and applications被引用 4

一句话总结

本研究对耦合Nb/NbN超导电极的石墨烯执行相位控制的隧道谱测量，揭示了硬诱导超导能隙及相依赖的Andreev束缚态。研究进一步识别出异质结构中存在伪量子点，其作为能量滤波器在微分电导中产生共振特征，展示了在高磁场下超洁净石墨烯中强烈的近邻耦合效应。

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.

研究动机与目标

• 研究超洁净石墨烯与大能隙超导体耦合时的超导近邻效应。
• 利用隧道谱探测石墨烯基约瑟夫森结中相位依赖的态密度。
• 识别并表征影响近邻石墨烯输运特性的伪量子点。
• 探索石墨烯-超导体异质结构在高磁场下实现非平凡准粒子态的潜力。

提出的方法

• 制备了hBN封装的石墨烯、石墨探针及双层hBN隧道势垒的范德华异质结构。
• 采用Tc ≈ 9 K且临界场>9 T的Nb/NbN电极，在石墨烯中诱导强近邻效应。
• 通过调节S-G-S约瑟夫森结中的磁通，实现相位控制的隧道谱测量，改变相位差φ。
• 利用栅压Vg静电调控石墨烯载流子密度，探测其态密度。
• 分析微分电导dI/dV随能量、栅压和相位的变化，以识别Andreev束缚态与量子点共振。
• 结合纳米SQUID测温与光谱特征，推断量子点特征的起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高磁场下，石墨烯与大能隙Nb/NbN超导体耦合时，超导近邻效应如何在态密度中体现？
• RQ2 隧道谱中观察到的相位依赖的能隙外特征的起源是什么？其与量子点行为有何关联？
• RQ3 在石墨烯近邻区域，Andreev束缚态如何随相位差与载流子密度演化？
• RQ4 范德华异质结构中的伪量子点在近邻石墨烯的隧道谱测量中影响程度如何？
• RQ5 观察到的共振特征能否通过弱耦合量子点模型（其与正常电极和超导电极的耦合不对称）解释？

主要发现

• 在零相位差时，石墨烯态密度表现出硬诱导超导能隙，与连续的Andreev束缚态一致。
• 在超导能隙之上出现相位依赖的能量级，表明存在尺寸为5–20 nm、加成能为5–60 meV的伪量子点。
• 负斜率钻石峰（NSDP）在零能附近分裂，而正斜率峰（PSDP）保持对齐，表明与超导电极和正常电极的耦合不对称。
• NSDP的能量随相位振荡，表明石墨烯态密度受约瑟夫森相位调制，且dI/dV峰在φ = π处发生符号反转。
• 共振时隧道过程显著增强，微分电导与石墨烯态密度的导数成正比，解释了dI/dV的符号反转现象。
• 结果表明，异质结构中的量子点充当能量滤波器，当量子点能级与诱导超导能隙边缘对准时，输运主要由共振隧道主导。