Pesquisadores com a nave-capitânia do grafeno da Europa demonstraram correntes elétricas supercondutoras no grafeno material bidimensional que saltam entre as bordas da folha sem se espalhar. Esta primeira observação direta do espelhamento balístico de ondas de elétrons em um sistema 2d com supercorrentes pode levar ao uso de junções Josephson baseadas em grafeno em aplicações como circuitos lógicos digitais avançados, magnetômetros e voltímetros ultrassensíveis.

Uma junção Josephson é feita imprensando uma fina camada de material não supercondutor entre duas camadas supercondutoras. Pares entrelaçados de elétrons supercondutores conhecidos como pares de Cooper são, em certas circunstâncias, capazes de viajar sem resistência através da camada intermediária isolante ou parcialmente isolante.

A corrente livre de resistência ocorre até uma corrente crítica, acima do qual uma tensão variável com o tempo (alternada) é configurada na junção. Detectar e medir a mudança entre os estados atuais é a base de muitos aplicativos que exploram as junções Josephson.

Circuitos lógicos eletrônicos podem ser construídos a partir de matrizes de junções Josephson, que também são usados ​​em dispositivos de interferência quântica supercondutores. SQUIDs são extremamente sensíveis a campos eletromagnéticos, e formar a base de magnetômetros que podem medir campos tão baixos quanto alguns attoteslas (10-18T), e voltímetros responsivos a diferenças de potencial de picovolts (10-12V).

Os usos práticos de tais dispositivos ultra-sensíveis incluem a medição de correntes neurológicas no cérebro ou coração, e pesquisa geofísica. As aplicações militares incluem detecção remota de submarinos.

Na última edição da revista Nature Nanotechnology , uma equipe internacional de físicos liderada por Lieven Vandersypen, membro da Graphene Flagship, que trabalha no Kavli Institute of Nanocience em Delft, demonstrar assinaturas inequívocas de junções Josephson no grafeno, um alótropo bidimensional de átomos de carbono dispostos em uma rede hexagonal. No papel, os principais autores são Victor Calado e Srijit Goswami, os pesquisadores observam as supercorrentes balísticas no grafeno, com os elétrons espelhando-se entre os contatos de borda unidimensionais feitos de molibdênio-rênio.

O grafeno ultra-limpo usado no experimento - necessário para preservar as propriedades elétricas exclusivas do material - é protegido da contaminação ambiental por ser encapsulado entre folhas de nitreto de boro hexagonal 2d de material isolante. Esta pilha de três camadas é então cortada na forma desejada, e o grafeno colocado em contato com a liga supercondutora.

Assim como com a luz refletindo para frente e para trás entre dois espelhos, levando a um padrão de interferência estabelecido pela superposição de ondas eletromagnéticas incidentes e refletidas, elétrons podem refletir das bordas de um supercondutor. A diferença é que a interferência de elétrons só é observada em amostras ultracleanas, em que é possível que as partículas carregadas se movam em trajetórias balísticas com espalhamento mínimo de impurezas no material.

Isso é o que Calado, Goswami e colegas observaram em sua configuração, com uma modulação notável da supercorrente. Em seu artigo da Nature Nanotechnology, os pesquisadores referem-se à oscilação da corrente crítica como resultado da interferência com coerência de fase dos elétrons e lacunas de elétrons que conduzem a corrente. Isso é causado pela formação de uma cavidade ressonante (Fabry-Pérot) entre os pontos do espelho. Além disso, supercorrentes relativamente grandes são vistas, viajando em distâncias de até 1,5 micrômetros. Os pesquisadores acreditam que esta seja a primeira observação direta do espelhamento balístico de supercorrentes no grafeno.

"Este trabalho nos permite desvendar novas físicas relacionadas à interação entre a supercondutividade e o comportamento relativístico dos elétrons no grafeno, "disse Goswami." Com esta tecnologia, podemos estudar e explorar junções de grafeno Josephson em um novo, regime emocionante. "