Nonlocal Josephson coupling and current redistribution in a large-area graphene multiterminal Josephson junction
Questo articolo dimostra che una giunzione Josephson multiterminale in grafene ad ampia area esibisce una pronunciata resistenza longitudinale differenziale negativa derivante dall'interazione tra l'accoppiamento Josephson non locale e la conduttanza dello stato normale non locale, offrendo una nuova piattaforma per caratterizzare sistemi ibridi superconduttore-semiconduttore ed esplorare stati fondamentali a molti corpi.
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Nel mondo dell'elettricità, i materiali vengono solitamente divisi in due fazioni: i conduttori, che lasciano fluire gli elettroni liberamente come l'acqua attraverso un tubo largo, e gli isolanti, che bloccano completamente questo flusso. Tra questi due estremi si trova uno stato speciale chiamato superconduttività, in cui determinati materiali permettono all'elettricità di muoversi senza alcuna resistenza. Quando due superconduttori sono separati da una sottile barriera, possono comunque comunicare tra loro attraverso un effetto quantistico, permettendo a una corrente di fluire attraverso il vuoto senza che una batteria la spinga. Questo è l'effetto Josephson, un fenomeno che è diventato una pietra angolare per la costruzione di sensori sensibili e dei computer quantistici più avanzati. Per decenni, gli scienziati hanno studiato queste connessioni utilizzando configurazioni semplici con soli due terminali superconduttori. Tuttavia, aggiungendo più terminali e creando reti complesse, i ricercatori hanno previsto un intero nuovo panorama di comportamenti in cui la corrente può essere indirizzata e modellata in modi che le semplici connessioni a due fili non possono raggiungere. La sfida è stata costruire un dispositivo abbastanza grande da vedere chiaramente queste complesse interazioni, senza che i segnali si perdano negli spazi minuscoli e affollati dei tradizionali microchip.
Un team di ricercatori ha costruito ora un tale dispositivo, creando una rete su larga scala che rivela un comportamento sorprendente e utile nel modo in cui l'elettricità si muove attraverso di essa. Hanno costruito un "barre di Hall Josephson", un dispositivo realizzato da un singolo strato di atomi di carbonio noto come grafene, racchiuso tra strati protettivi e collegato a sei diversi terminali metallici. A differenza degli esperimenti precedenti che erano microscopici, questo dispositivo è abbastanza grande da essere visto con un microscopio standard, estendendosi per diverse micrometri. I ricercatori hanno fatto passare una corrente elettrica attraverso il dispositivo e hanno osservato come la tensione cambiava all'aumentare del flusso. Hanno scoperto che quando la corrente raggiungeva un punto specifico, la tensione attraverso il centro del dispositivo scendeva improvvisamente all'aumentare della corrente stessa. Questo comportamento controintuitivo, in cui spingere con più forza fa diminuire la resistenza, è chiamato resistenza differenziale negativa. È un fenomeno che di solito richiede circuitazioni complesse per essere creato, eppure qui è emerso naturalmente dal modo in cui le correnti superconduttive interagivano attraverso lo spazio ampio e aperto del foglio di grafene.
La chiave di questa scoperta risiede nelle dimensioni del dispositivo e nel modo unico in cui le correnti superconduttive viaggiano attraverso di esso. Nei dispositivi più piccoli e tradizionali, la supercorrente fluisce solo tra vicini, come persone che si passano un messaggio lungo una breve fila. In questa grande barra di grafene, la supercorrente può viaggiare in modo coordinato tra terminali distanti che non sono immediatamente adiacenti. I ricercatori hanno scoperto che all'aumentare della corrente, diverse parti della rete passavano dallo stato superconduttore allo stato normale e resistivo una dopo l'altra, piuttosto che tutte in una volta. La prima parte a cambiare è stata la connessione nel mezzo della barra. Una volta che questa sezione centrale è cambiata, la corrente è stata costretta a trovare un nuovo percorso. Poiché il dispositivo è così grande, la corrente ha potuto ridistribuirsi attraverso altre rotte che erano ancora superconduttrici. Questa ridistribuzione ha causato la caduta della tensione misurata nel mezzo, creando l'effetto di resistenza negativa. Il team ha confermato questo fatto costruendo un modello informatico della rete che includeva sia le connessioni superconduttrici a lungo raggio che i percorsi elettrici normali, il quale ha riprodotto con successo la strana caduta di tensione vista nell'esperimento.
Per garantire che si trattasse di una proprietà fondamentale della rete e non solo di un caso fortuito della loro specifica configurazione, i ricercatori hanno testato il dispositivo sotto diverse condizioni. Hanno cambiato il numero di elettroni nel grafene, variato la temperatura e hanno persino costruito diverse versioni del dispositivo utilizzando materiali e spessori degli strati differenti. In ogni caso, l'effetto di resistenza negativa è apparso, dimostrando che si tratta di una caratteristica robusta di questo tipo di rete su larga scala. Hanno anche escluso altre possibilità, come il fatto che l'effetto fosse causato dal calore o che il dispositivo agisse come una semplice giunzione singola. Applicando un campo magnetico, hanno osservato che le supercorrenti scorrevano attraverso molteplici percorsi distinti con dimensioni diverse, provando ulteriormente che il dispositivo agiva come una rete complessa e interconnessa piuttosto che come un semplice filo. I modelli del campo magnetico hanno mostrato che alcune correnti scorrevano tra contatti vicini, mentre altre percorrevano lunghi percorsi circolari attraverso l'intero dispositivo, un comportamento che sarebbe impossibile in una struttura più piccola e confinata.
Questo lavoro apre una nuova porta per la comprensione di come l'elettricità si comporta in reti quantistiche complesse. La capacità di generare un effetto di resistenza negativa semplicemente cambiando la corrente in un dispositivo multi-terminale di grandi dimensioni suggerisce nuovi modi per costruire circuiti elettronici che possano amplificare i segnali o miscelare le frequenze senza la necessità di molti componenti separati. Oltre al suo potenziale uso nei circuiti, le grandi dimensioni del dispositivo offrono una piattaforma unica per studiare come la superconduttività interagisce con altri stati esotici della materia che possono esistere nel grafene. Poiché il dispositivo è così grande, gli scienziati possono posizionare gate e sensori nel mezzo del materiale, lontano dai bordi, per studiare le proprietà di massa degli elettroni senza interferenze dai contatti. Questa "barra di Hall Josephson" fornisce un palcoscenico versatile dove la danza collettiva degli elettroni superconduttori può essere osservata e controllata, offrendo una visione più chiara del mondo quantistico rispetto al passato.
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