Nonlocal Josephson coupling and current redistribution in a large-area graphene multiterminal Josephson junction
Cet article démontre qu'une jonction Josephson multi-terminaisons de graphène à grande surface présente une résistance longitudinale différentielle négative prononcée découlant de l'interaction entre le couplage Josephson non local et la conductance de l'état normal non locale, offrant ainsi une nouvelle plateforme pour caractériser les systèmes hybrides supraconducteur-semi-conducteur et explorer les états fondamentaux à plusieurs corps.
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Dans le monde de l'électricité, les matériaux sont généralement classés en deux camps : les conducteurs, qui laissent les électrons circuler librement comme de l'eau dans un large tuyau, et les isolants, qui bloquent entièrement ce flux. Entre ces deux extrêmes se trouve un état spécial appelé supraconductivité, où certains matériaux permettent à l'électricité de se déplacer sans aucune résistance. Lorsque deux supraconducteurs sont séparés par une fine barrière, ils peuvent néanmoins communiquer entre eux via un effet quantique, permettant à un courant de traverser l'écart sans qu'une batterie ne le pousse. Il s'agit de l'effet Josephson, un phénomène qui est devenu une pierre angulaire pour la construction de capteurs sensibles et des ordinateurs quantiques les plus avancés. Pendant des décennies, les scientifiques ont étudié ces connexions à l'aide de montages simples comprenant seulement deux fils supraconducteurs. Cependant, en ajoutant davantage de fils et en créant des réseaux complexes, les chercheurs ont prédit un tout nouveau paysage de comportements où le courant peut être dirigé et façonné de manières que les simples connexions à deux fils ne peuvent atteindre. Le défi consistait à construire un dispositif suffisamment grand pour observer clairement ces interactions complexes, sans que les signaux ne se perdent dans les espaces minuscules et encombrés des puces microélectroniques traditionnelles.
Une équipe de chercheurs a maintenant construit un tel dispositif, créant un réseau à grande échelle qui révèle un comportement surprenant et utile dans la manière dont l'électricité circule à travers lui. Ils ont construit un « barreau de Hall Josephson », un dispositif fabriqué à partir d'une couche unique d'atomes de carbone connue sous le nom de graphène, prise en sandwich entre des couches protectrices et reliée à six différentes broches métalliques. Contrairement aux expériences précédentes qui étaient microscopiques, ce dispositif est assez grand pour être vu avec un microscope standard, s'étendant sur plusieurs micromètres. Les chercheurs ont envoyé un courant électrique à travers le dispositif et ont observé comment la tension changeait à mesure qu'ils augmentaient le flux. Ils ont découvert que lorsque le courant atteignait un point spécifique, la tension à travers le milieu du dispositif chutait soudainement alors que le courant augmentait davantage. Ce comportement contre-intuitif, où pousser plus fort fait baisser la résistance, est appelé résistance différentielle négative. C'est un phénomène qui nécessite habituellement des circuits complexes pour être créé, pourtant, il est apparu naturellement de la manière dont les courants supraconducteurs interagissaient à travers le grand espace ouvert de la feuille de graphène.
La clé de cette découverte réside dans la taille du dispositif et la manière unique dont les courants supraconducteurs y voyagent. Dans les dispositifs plus petits et traditionnels, le supercourant ne circule qu'entre voisins, comme des personnes se transmettant un message dans une courte file. Dans ce grand barreau de graphène, le supercourant peut voyager de manière coordonnée entre des bornes distantes qui ne sont pas adjacentes. Les chercheurs ont découvert qu'à mesure que le courant augmentait, différentes parties du réseau passaient d'un état supraconducteur à un état normal et résistif les unes après les autres, plutôt que toutes en même temps. La première partie à basculer fut la connexion au milieu du barreau. Une fois cette section centrale ayant basculé, le courant fut contraint de trouver un nouveau chemin. Parce que le dispositif est si grand, le courant a pu se redistribuer via d'autres routes qui étaient encore supraconductrices. Cette redistribution a provoqué la chute de la tension mesurée au milieu, créant l'effet de résistance négative. L'équipe a confirmé cela en construisant un modèle informatique du réseau incluant à la fois les connexions supraconductrices à longue portée et les chemins électriques normaux, lequel a reproduit avec succès l'étrange chute de tension observée lors de l'expérience.
Pour s'assurer qu'il s'agissait d'une propriété fondamentale du réseau et non d'un simple hasard lié à leur configuration spécifique, les chercheurs ont testé le dispositif sous différentes conditions. Ils ont modifié le nombre d'électrons dans le graphène, fait varier la température et ont même construit plusieurs versions différentes du dispositif en utilisant différents matériaux et épaisseurs de couches. Dans chaque cas, l'effet de résistance négative est apparu, montant que c'est une caractéristique robuste de ce type de réseau à grande échelle. Ils ont également écarté d'autres possibilités, comme le fait que l'effet soit causé par la chaleur ou par le fait que le dispositif agisse comme une simple jonction unique. En appliquant un champ magnétique, ils ont observé que les supercourants circulaient à travers de multiples chemins distincts de tailles différentes, prouvant davantage que le dispositif agissait comme un réseau complexe et interconnecté plutôt que comme un simple fil. Les motifs du champ magnétique ont montré que certains courants circulaient entre des contacts proches, tandis que d'autres empruntaient de longs chemins bouclés à travers tout le dispositif, un comportement qui serait impossible dans une structure plus petite et plus confinée.
Ce travail ouvre une nouvelle porte pour comprendre comment l'électricité se comporte dans les réseaux quantiques complexes. La capacité de générer un effet de résistance négative simplement en modifiant le courant dans un dispositif multi-bornes de grande taille suggère de nouvelles façons de construire des circuits électroniques capables d'amplifier des signaux ou de mélanger des fréquences sans nécessiter de nombreux composants distincts. Au-delà de son potentiel d'utilisation dans les circuits, la grande taille du dispositif offre une plateforme unique pour étudier comment la supraconductivité interagit avec d'autres états exotiques de la matière pouvant exister dans le graphène. Parce que le dispositif est si grand, les scientifiques peuvent placer des grilles et des capteurs au milieu du matériau, loin des bords, pour étudier les propriétés de volume des électrons sans interférence provenant des contacts. Ce « barreau de Hall Josephson » fournit une scène polyvalente où la danse collective des électrons supraconducteurs peut être observée et contrôlée, offrant une vue plus claire du monde quantique que jamais auparavant.
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