[论文解读] Visualization of phase-coherent electron interference in a ballistic graphene Josephson junction

Monica Allen, Oles Shtanko+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2015

Mechanical and Optical Resonators参考文献 35被引用 5

一句话总结

本研究利用弗劳恩霍夫干涉测量法，直接观测了弹道石墨烯约瑟夫森结中相位相干的电子干涉现象，揭示了边缘态与体相电流的显著贡献。关键发现是，实际存在的无序边界实际上促进了弹道输运和相干干涉，这与‘边界散射会破坏相位相干性’的假设相矛盾。

ABSTRACT

Interference of standing waves in electromagnetic resonators forms the basis of many technologies, from telecommunications and spectroscopy to detection of gravitational waves. However, unlike the confinement of light waves in vacuum, the interference of electronic waves in solids is complicated by boundary properties of the crystal, notably leading to electron guiding by atomic-scale potentials at the edges. Understanding the microscopic role of boundaries on coherent wave interference is an unresolved question due to the challenge of detecting charge flow with submicron resolution. Here we employ Fraunhofer interferometry to achieve real-space imaging of cavity modes in a graphene Fabry-Perot resonator, embedded between two superconductors to form a Josephson junction. By directly visualizing current flow using Fourier methods, our measurements reveal surprising redistribution of current on and off resonance. These findings provide direct evidence of separate interference conditions for edge and bulk currents and reveal the ballistic nature of guided edge states. Beyond equilibrium, our measurements show strong modulation of the multiple Andreev reflection amplitude on an off resonance, a direct measure of the gate-tunable change of cavity transparency. These results demonstrate that, contrary to the common belief, electron interactions with realistic disordered edges facilitate electron wave interference and ballistic transport.

研究动机与目标

• 在亚微米分辨率下解析石墨烯法布里-珀罗谐振腔中超电流的真实空间分布。
• 研究弹道石墨烯中真实晶体边界对电子波干涉的影响。
• 确定边缘态是否以相干方式贡献于约瑟夫森结中的干涉条纹。
• 通过门调控参数探究谐振腔透明度与多重Andreev反射（MAR）振幅之间的关系。

提出的方法

• 在石墨烯约瑟夫森结中利用近邻诱导的超导性，实现Andreev反射与超电流流动。
• 采用弗劳恩霍夫干涉测量结合傅里叶分析，对真实空间中载流态的结构进行成像。
• 通过背栅电压调控谐振腔中的费米波长，使系统在超导引线费米能级上共振或失谐。
• 测量电压偏置谱，绘制MAR振荡，并将其与谐振腔透射率和共振条件相关联。
• 将总电流建模为具有不同透射概率（T ≈ 0.3, 0.6, 0.9）的透射本征通道之和，拟合实验I-V曲线。
• 应用短结理论解释MAR可见度与结透明度，其约束条件基于观测到的电导率和I-V数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 在弹道石墨烯约瑟夫森结中，边缘电流与体相电流在干涉行为上如何不同？
• RQ2 原子级锐利边缘的存在是抑制还是增强相位相干电子干涉？
• RQ3 谐振腔透明度在共振与失谐时如何变化，其对多重Andreev反射有何影响？
• RQ4 超电流的真实空间成像能否揭示导引边缘态的弹道特性？
• RQ5 谐振腔共振条件与MAR峰振幅之间存在何种关系？

主要发现

• 通过弗劳恩霍夫干涉测量实现的真实空间成像揭示了在共振与失谐状态下电流的意外重分布，其中边缘电流保持相干且弹道特性。
• 边缘态在不被抑制的情况下贡献于干涉条纹，表明其尽管存在原子尺度无序，仍能支持相位相干输运。
• 多重Andreev反射峰的振幅强烈受谐振腔共振调制，MAR在共振时被抑制，而在失谐时增强。
• 在共振时，透射本征值的分布向更高透明度（T ≈ 0.9）移动，提高了结的透明度和正常态电导率。
• 通过多通道透射模型（T ≈ 0.3, 0.6, 0.9）对I-V曲线进行拟合，与实验结果高度一致，证实了在共振时高透射通道的贡献增加。
• 测得的正常态电导率低于模型预测值，表明存在偏离短结理论或非线性p-n结行为的可能。