Forskare med Europas Graphene Flagship har demonstrerat supraledande elektriska strömmar i det tvådimensionella materialet grafen som studsar mellan arkets kanter utan att spridas. Denna första direkta observation av den ballistiska speglingen av elektronvågor i ett 2d-system med superströmmar kan leda till användning av grafenbaserade Josephson-korsningar i applikationer som avancerade digitala logikkretsar, ultrakänsliga magnetometrar och voltmätare.

En Josephson-korsning görs genom att lägga ett tunt lager av icke-superledande material mellan två superledande lager. Flätade par supraledande elektroner som kallas Cooper-par kan under vissa omständigheter resa utan motstånd genom det isolerande eller delvis isolerande mittskiktet.

Den resistansfria strömmen uppstår upp till en kritisk ström, över vilken en tidsvarierande (växlande) spänning sätts upp över korsningen. Att upptäcka och mäta förändringen mellan nuvarande tillstånd är grunden för många applikationer som utnyttjar Josephson -korsningar.

Elektroniska logikkretsar kan konstrueras från matriser i Josephson -korsningar, som också används i supraledande kvantstörningsanordningar. SQUID är extremt känsliga för elektromagnetiska fält, och utgör grunden för magnetometrar som kan mäta fält så låga som några få attoteslas (10-18T), och voltmätare som reagerar på potentiella skillnader i picovolt (10-12V).

Praktisk användning av sådana ultrakänsliga enheter inkluderar mätning av neurologiska strömmar i hjärnan eller hjärtat, och geofysisk forskning. Militära tillämpningar inkluderar fjärrbåtsdetektering.

I det senaste numret av tidningen Naturnanoteknik , ett internationellt team av fysiker under ledning av Graphene Flagship -medlem Lieven Vandersypen, som är baserad vid Kavli Institute of Nanoscience i Delft, visa entydiga signaturer av Josephson -korsningar i grafen, en tvådimensionell allotrop av kolatomer anordnade i ett sexkantigt galler. I tidningen, vars huvudförfattare är Victor Calado och Srijit Goswami, forskarna tittar på ballistiska superströmmar i grafen, med elektronerna som speglar mellan endimensionella kantkontakter gjorda av molybden-rhenium.

Den ultraklana grafen som användes i experimentet - som krävs för att bevara materialets unika elektriska egenskaper - skyddas från miljöföroreningar genom att vara inkapslad mellan ark i det isolerande 2d -materialet hexagonal bornitrid. Denna stapel med tre lager skärs sedan till önskad form, och grafen placerad i kontakt med den superledande legeringen.

Precis som med ljus som studsar fram och tillbaka mellan två speglar, som leder till ett interferensmönster som upprättas genom överlagring av infallande och reflekterade elektromagnetiska vågor, elektroner kan reflektera från kanterna på en superledare. Skillnaden är att elektronstörningar endast observeras i ultraklana prover, där det är möjligt för de laddade partiklarna att röra sig i ballistiska banor med minimal spridning från föroreningar i materialet.

Detta är vad Calado, Goswami och kollegor observerade i sin installation, med en slående modulering av överströmmen. I deras Nature Nanotechnology -papper, forskarna hänvisar till den kritiska strömmen som oscillerar till följd av fas-koherent störning av elektronerna och elektronhålen som bär strömmen. Detta orsakas av bildandet av ett resonanshålrum (Fabry-Pérot) mellan spegelpunkterna. Vidare, relativt stora överströmmar ses, resa över avstånd på upp till 1,5 mikrometer. Forskarna tror att detta är den första direkta observationen av den ballistiska speglingen av superströmmar i grafen.

"Detta arbete tillåter oss att upptäcka ny fysik relaterad till samspelet mellan supraledning och det relativistiska beteendet hos elektroner i grafen, "sa Goswami." Med denna teknik, vi kan studera och utnyttja grafen Josephson -korsningar i en ny, spännande regim. "