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    Dispositivo de interferência supercondutor baseado em Quantum Hall

    Comparação de três colunas das distribuições de supercorrente e os padrões de interferência magnética resultantes. a) Diagrama de fluxo de supercorrente em campos magnéticos baixos, resultando em uma distribuição uniforme mostrada no painel (b). c) Medição do segundo dispositivo em baixo campo magnético mostrando um padrão de interferência Fraunhofer típico com período de ∼ 0,7 mT, o que indica uma distribuição uniforme de supercorrente. Os dados são uma derivada numérica das curvas I-V medidas (unidades arbitrárias). T =230 mK. d) Esquema das bordas QH quando ambas as portas laterais são aplicadas (bulk ν =2, ν =6 induzido localmente em cada aresta). Os estados de contrapropagação bem espaçados suportam supercorrentes em ambas as bordas da amostra, resultando na distribuição mostrada no painel (e). O painel (f) mostra o padrão de interferência magnética semelhante ao SQUID (dispositivo de interferência quântica supercondutor) da supercorrente Hall quântica correspondente ao painel (d) com uma periodicidade de ∼ 0,6 mT. O painel (g) é semelhante ao painel (d), mas com apenas uma porta lateral aplicada. Isso resulta na supercorrente fluindo apenas em uma borda da amostra, conforme mostrado no painel (h). O painel (i) mostra o padrão de interferência magnética correspondente ao painel (g). Não há variação no padrão nesta escala de campo, indicando um único, distribuição altamente localizada de corrente. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw8693

    Em um relatório recente publicado em Avanços da Ciência , Andrew Seredinski e colegas de trabalho apresentaram uma junção Josephson baseada em grafeno com portas laterais dedicadas fabricadas com a mesma folha de grafeno que a própria junção. A equipe de pesquisa interdisciplinar nos departamentos de física, astronomia e materiais avançados nos EUA e no Japão descobriram que as portas laterais são altamente eficientes, permitindo que eles controlem a densidade da portadora ao longo de qualquer borda da junção em uma ampla gama de campos magnéticos. Por exemplo, eles povoaram o próximo nível de Landau (onde o número de elétrons é diretamente proporcional à força do campo magnético aplicado) dentro de campos magnéticos na faixa de 1 a 2 Tesla (T), para resultar em platôs quânticos de Hall. Então, quando eles introduziram estados de borda Hall quântico contra-propagados ao longo de cada lado do dispositivo, eles observaram uma supercorrente localizada ao longo da borda da junção. No presente trabalho, eles estudaram essas supercorrentes em função do campo magnético e da densidade do portador.

    Na mecânica quântica, os físicos classificam as partículas como férmions ou bósons. Esta classificação é crucial para compreender uma variedade de sistemas físicos, incluindo lasers, metais e supercondutores. As interações entre elétrons ou átomos em alguns sistemas bidimensionais (2-D) podem levar à formação de quase partículas que se separam da dicotomia férmion-bóson; para formar estados de matéria 'não-abelianos'. Muitos estudos experimentais tentam identificar estados não Abelianos em sistemas que manifestam os efeitos Hall quântico (QH) (quantização da resistência em sistemas eletrônicos bidimensionais). A identificação de tais estados será útil para a computação quântica.

    Os físicos prevêem a interação de estados de spin-helicoidal e supercondutividade para permitir o acesso a excitações não Abelianas, como os modos Majorana Zero (MZM). Esses estados podem formar a base para arquiteturas de computação quântica, que tiram vantagem das proteções topológicas para atingir a tolerância a falhas, permitindo assim que um sistema continue operando corretamente em caso de falha. Os pesquisadores pretendem desenvolver várias técnicas, incluindo nanofios híbridos supercondutores-semicondutores e estruturas supercondutor-topológicas isolantes para tais aplicações baseadas em quasipartículas. O recente interesse de pesquisa em supercondutividade também levou a uma enxurrada de atividade na interface da supercondutividade e do efeito Hall quântico (QH). Por exemplo, cientistas deduziram que contatos supercondutores quase unidimensionais (1-D) podem permitir MZM e parafermions, enquanto heteroestruturas de grafeno e nitreto de boro hexagonal (BN) com contatos supercondutores 1-D podem demonstrar transparência de contato notável para observar supercorrente no regime QH. Contudo, detalhes microscópicos da supercorrente no regime QH até agora permanecem um assunto em aberto.

    Layout do dispositivo e influência do portão nos planaltos QH. (A) Micrografia de microscopia eletrônica de varredura (SEM) do dispositivo antes da corrosão iônica reativa. Os contatos MoRe são destacados e coloridos em verde para contraste. Duas trincheiras (cinza claro), ~ 60 nm de largura, separe a junção dos portões laterais. Os contatos MoRe são espaçados das trincheiras por regiões de grafeno com largura de ~ 100 nm, evitando o contato direto entre MoRe e a borda da meseta. (B) Vista lateral esquemática de uma seção transversal vertical de (A). (C) Mapa de resistência em função da tensão de back-gate, VBG, e tensões de porta lateral aplicadas simetricamente, VSG1 =VSG2, em B =1,8 T. As regiões em forma de diamante correspondem aos platôs de resistência quantizada. Seus limites horizontais (afetados apenas por VBG) correspondem à densidade de elétrons constante na massa. Os limites laterais inclinados dos diamantes correspondem a fatores de preenchimento constantes perto das bordas, onde as influências das portas traseiras e laterais se compensam. Os números brancos marcam o fator de preenchimento da amostra, enquanto os números pretos na porta do lado superior marcam a condutância da amostra em unidades de e2 / h. (D) Simulação eletrostática de elemento finito de (C) reproduzindo as regiões em forma de diamante de condutância constante. Os platôs de condutância marcados em (C) são marcados de forma semelhante. (E) Amostra de resistência como uma função de VBG em vários VSG1, 2, correspondendo às seções transversais verticais de (C). As curvas mostram que os platôs QH são melhor desenvolvidos com as portas laterais definidas para -1 V. Em VSG1, 2 =- 3 V e +1 V, os planaltos encolhem e se tornam assimétricos entre os lados dopados com elétron e buraco, como é freqüentemente encontrado em amostras sem controle de porta lateral. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw8693

    No presente trabalho, Seredinski et al. examinou uma junção de grafeno Josephson com duas portas laterais de grafeno para manipular diretamente os estados de borda QH. Eles ajustaram cada portão para alterar o fator de enchimento do nível de Landau ao longo das bordas para observar uma supercorrente, localizado unicamente ao longo de uma borda. A equipe construiu as amostras de grafeno encapsulado em nitreto de boro hexagonal (BN) para proteger os dispositivos de contaminação e produzir transporte balístico em escalas de micrômetro. Eles gravaram a pilha de grafeno-BN e, em seguida, fabricaram contatos quase-1-D para a região exposta. Eles usaram rênio molibdênio (MoRe), um supercondutor tipo II e separou os contatos de 3 μm de largura por 500 nm para formar a configuração experimental. Na próxima etapa, eles formaram a junção e os portões laterais gravando valas estreitas em ambos os lados dos contatos, para controlar com eficiência a densidade do elétron ao longo das bordas da junção - depois de aplicar voltagem às regiões de grafeno. Eles não sobrepuseram as trincheiras gravadas com os contatos e, em vez disso, os espaçaram usando uma tira de grafeno, para evitar que os elétrons entrem em túnel diretamente do supercondutor para a borda.

    Quando Seredinksi et al. aplicou um campo magnético perpendicular à amostra, a junção entrou no regime QH (quantum Hall). Por 1,8 Tesla, o efeito QH foi muito bem desenvolvido e observado usando mapas de resistência reproduzidos por uma simulação eletrostática simples no trabalho. A equipe de pesquisa obteve mais conhecimento sobre a função do dispositivo aplicando as portas laterais de forma independente. Eles observaram a influência das portas laterais nas condutâncias para mostrar uma interferência insignificante entre a porta esquerda na borda direita, e vice versa. Os cientistas ajustaram os portões para induzir um estado QH para criar estados de contra-propagação dentro do dispositivo. A equipe observou a supercorrente QH e seus padrões de interferência como uma região de resistência suprimida flanqueada por picos; característica de uma pequena supercorrente. A equipe regulou os recursos do dispositivo para localizar a supercorrente em qualquer junção.

    Platôs de QH induzidos pela porta lateral. (A) Mapa dV / dI plotado versus tensões de porta lateral VSG1 e VSG2 em B =1,8 T. A tensão de porta traseira é fixada em VBG =4,7 V, correspondendo ao estado ν =2 em massa. Os números marcam a condutância da amostra em unidades de e2 / h. (B) Resistência da amostra medida em função de uma única porta lateral. As curvas verdes e vermelhas correspondem às linhas verticais em (A) em VSG1 =0 e 3 V, respectivamente (com VBG =4,7 V). A curva azul mostra um traço semelhante com um fator de preenchimento em massa ν =- 2 (VBG =1,5 V), varrendo VSG1 com VSG2 =0 V. (C e D) Esquemas correspondentes às curvas verde e azul em (B) para VSG maior que ∼2 V. Canais de borda adicionais são criados perto do portão, com fator de preenchimento local ν2 =6 (C, região verde) e ν1 =2 (D, região azul). A condutância adicional é igual a 4e2 / he 2e2 / h em (C) e (D), respectivamente, no topo da condutância de base de 2e2 / h, como é observado para as curvas azul e verde em (B). (E) Esquema da densidade do portador dentro da junção de grafeno em função da posição quando SG2 (1) está ativo (passivo), semelhante a (C). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw8693.

    A supercorrente não variou para pequenas mudanças no campo magnético. Por exemplo, quando a equipe ligou um portão lateral, a distância entre os canais de borda contra-propagados no dispositivo facilitou o acoplamento dos estados de borda ao supercondutor - para que a supercorrente aparecesse. Quando eles aplicaram os dois lados dos portões simultaneamente, a dependência da supercorrente em campos magnéticos mudou completamente. O mapa resultante demonstrou um padrão de interferência semelhante a um dispositivo de interferência quântica supercondutor (SQUID). Quando Seredinski et al. explorou o dispositivo como um interferômetro para supercorrentes QH, eles mudaram o campo para 1 T para observar uma assinatura de superalimentação mais robusta. Eles obtiveram o padrão de oscilações de resistência no campo magnético, onde o período de oscilações era independente da tensão da porta, enquanto a fase de oscilações variou com o portão.

    Supercorrente QH e seus padrões de interferência. (A) Mapa de resistência diferencial versus VSG1, 2 como na Fig. 2A, mas medido com polarização de corrente 0 nA DC, permitindo a observação da resistência suprimida devido à supercorrente. Os locais de tensão da porta de (B) a (D) são marcados por (B) um asterisco laranja, (C) um asterisco preto, e (D) um asterisco branco. (B) dV / dI medido versus I, indicando a presença de uma supercorrente no topo do planalto h / 6e2 quantizado. (C) Mapa de campo magnético de corrente da resistência diferencial quando uma supercorrente é induzida ao longo de um lado da amostra apenas com VSG2, enquanto VSG1 permanece em zero. A supercorrente não é sensível a uma mudança incremental de campo em uma escala de alguns milites. (D) Um mapa semelhante com ambas as portas laterais induzindo supercorrente, mostrando um padrão de interferência do tipo SQUID. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw8693.

    Em um padrão de interferência adicional, a equipe de pesquisa observou a diferença na resistência da amostra entre 0 e 10 nanoampere (nA) DC bias, para destacar as regiões supercondutoras. Eles mediram o mapa em função de ambas as portas laterais e observaram a interferência correspondente às supercorrentes fluindo ao longo da porta lateral-1 (SG1) e da porta lateral-2 (SG2). As duas portas apresentaram eficiência comparável. Quando os cientistas aumentaram a voltagem de um portão, eles diminuíram a tensão da porta oposta para manter aproximadamente a mesma área do SQUID (dispositivo de interferência quântica supercondutor). Essas mudanças de área foram suficientes para evoluir a fase de diferença ao longo da junção, embora muito pequeno para criar mudanças perceptíveis na periodicidade do campo magnético.

    Interferometria de supercorrente QH. (A) Mapa dV / dI medido em VSG1 =2,34 V e VSG2 =2,36 V como uma função de VBG e B perto de 1 T. Para uma dada tensão de porta, as regiões de resistência suprimida correspondem a uma supercorrente mais forte. A fase das oscilações depende da tensão da porta, indicando que a área de interferência diminui com a tensão da porta (dVBG / dB positivo). Isso é explicado pelos estados da borda interna movendo-se ainda mais para dentro à medida que a densidade do elétron aumenta [esquema em (B)]. (B) Esquema da densidade do portador na amostra ao longo da linha média entre os contatos. A linha azul representa alguma densidade de carga de linha de base; a linha verde mostra uma tensão de porta traseira mais alta. (C) mapa dV / dI semelhante a (A) medido em função da tensão B e SG1 para VBG =3,8 V. O mapa mostra um padrão de interferência com uma inclinação oposta àquela em (A), indicando que a área de interferência aumenta com a tensão da porta conforme os elétrons são empurrados ainda mais em direção à porta. (D) Mapa ΔR exibindo a diferença entre a resistência nas condições de polarização 0 e 10 nA DC, medido em 1 T com VBG =3,9 V. Ambas as tensões de porta lateral são altas o suficiente para induzir uma supercorrente (VSG1, 2> 1 V), e as características verticais e horizontais correspondem à supercorrente induzida por SG1 ou SG2, respectivamente. Em seus cruzamentos, recursos diagonais adicionais aparecem, indicando interferência entre as supercorrentes nos dois lados da amostra. As franjas têm uma inclinação ∼ −1, sugerindo eficiência comparável das duas portas laterais. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaw8693.

    Desta maneira, Andrew Seredinski e colegas mostraram que as portas laterais de grafeno nativo são notavelmente eficientes no controle da propagação do estado de borda no regime de Hall quântico (QH). Eles observaram supercorrentes induzidas pelos portões laterais, para ser transportado pelos estados de borda QH. Essas supercorrentes fluíam independentemente em cada borda do dispositivo e podiam ser controladas independentemente por seus portões correspondentes. O experimento abre uma nova rota promissora para acoplar supercondutores com estados de borda QH para induzir excitações não-Abelianas para formar a base das arquiteturas de computação quântica.

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