Nonlocal Josephson coupling and current redistribution in a large-area graphene multiterminal Josephson junction
Dit artikel toont aan dat een grootoppervlakte grafen multiterminal Josephson-overgang een uitgesproken negatieve differentiële longitudinale weerstand vertoont die voortvloeit uit de wisselwerking tussen nietlokale Josephson-koppeling en nietlokale normaaltoestand-geleidbaarheid, wat een nieuw platform biedt voor het karakteriseren van hybride supergeleider-halfgeleider systemen en het verkennen van veel-deeltjes grondtoestanden.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
In de wereld van elektriciteit worden materialen meestal verdeeld in twee kampen: geleiders, die elektronen vrij laten stromen als water door een brede pijp, en isolatoren, die die stroom volledig blokkeren. Tussen deze twee extremen ligt een speciale staat genaamd supergeleiding, waarbij bepaalde materialen elektriciteit laten bewegen zonder enige weerstand. Wanneer twee supergeleiders worden gescheiden door een dunne barrière, kunnen ze nog steeds met elkaar communiceren via een kwantumeffect, waardoor een stroom over de kloof kan vloeien zonder dat daar een batterij voor nodig is om het te duwen. Dit is het Josephson-effect, een fenomeen dat een hoeksteen is geworden voor het bouwen van gevoelige sensoren en de meest geavanceerde kwantumcomputers. Decennialang hebben wetenschappers deze verbindingen bestudeerd met eenvoudige opstellingen met slechts twee supergeleidende leads. Echter, door meer leads toe te voegen en complexe netwerken te creëren, hebben onderzoekers een heel nieuw landschap van gedrag voorspeld waarin de stroom gestuurd en gevormd kan worden op manieren die eenvoudige verbindingen met twee draden niet kunnen bereiken. De uitdaging was het bouwen van een apparaat dat groot genoeg is om deze complexe interacties duidelijk te zien, zonder dat de signalen verloren gaan in de kleine, drukke ruimtes van traditionele microchips.
Een team van onderzoekers heeft nu zo'n apparaat gebouwd, waarbij ze een grootschalig netwerk hebben gecreëerd dat een verrassend en nuttig gedrag onthult in de manier waarop elektriciteit erdoorheen beweegt. Ze construeerden een "Josephson Hall bar", een apparaat gemaakt van een enkele laag koolstofatomen bekend als grafeen, ingeklemd tussen beschermende lagen en verbonden met zes verschillende metalen leads. In tegenstelling tot eerdere experimenten die microscopisch waren, is dit apparaat groot genoeg om met een standaard microscoop te worden gezien, en strekt het zich over meerdere micrometers uit. De onderzoekers stuurden een elektrische stroom door het apparaat en observeerden hoe de spanning veranderde terwijl ze de stroomsterkte verhoogden. Ze ontdekten dat wanneer de stroom een specifiek punt bereikte, de spanning over het midden van het apparaat plotseling daalde naarmate de stroom verder toenam. Dit contra-intuïtieve gedrag, waarbij harder duwen ervoor zorgt dat de weerstand afneemt, wordt negatieve differentiële weerstand genoemd. Het is een fenomeen dat normaal gesproken complexe schakelingen vereist om te creëren, maar hier ontstond het natuurlijk door de manier waarop de supergeleidende stromen interageerden over de grote, open ruimte van het grafeenvel.
De sleutel tot deze ontdekking ligt in de grootte van het apparaat en de unieke manier waarop de supergeleidende stromen erdoorheen reizen. In kleinere, traditionele apparaten stroomt de superstroom alleen tussen buren, zoals mensen die een boodschap doorgeven in een korte rij. In deze grote grafeenstaaf kan de superstroom op een gecoördineerde manier reizen tussen verre terminals die niet direct naast elkaar liggen. De onderzoekers ontdekten dat naarmate de stroom toenam, verschillende delen van het netwerk één voor één van een supergeleidende staat naar een normale, resistente staat overgingen, in plaats van allemaal tegelijk. Het eerste deel dat overging, was de verbinding in het midden van de staaf. Zodra dit middelste gedeelte overging, werd de stroom gedwongen een nieuwe weg te vinden. Omdat het apparaat zo groot is, kon de stroom zichzelf herverdelen via andere routes die nog steeds supergeleidend waren. Deze herverdeling veroorzaakte de daling van de gemeten spanning in het midden, wat het negatieve weerstandseffect creëerde. Het team bevestigde dit door een computermodel van het netwerk te bouwen dat zowel de langetermijn supergeleidende verbindingen als de normale elektrische paden omvatte, wat het vreemde spanningsverloop uit het experiment succesvol reproduceerde.
Om er zeker van te zijn dat dit een fundamentele eigenschap van het netwerk was en niet slechts een toevalstreffer van hun specifieke opstelling, testten de onderzoekers het apparaat onder verschillende omstandigheden. Ze veranderden het aantal elektronen in het grafeen, varieerden de temperatuur en bouwden zelfs verschillende versies van het apparaat met verschillende materialen en laagdiktes. In elk geval trad het negatieve weerstandseffect op, wat aantoonde dat het een robuust kenmerk is van dit type grootschalig netwerk. Ze sloten ook andere mogelijkheden uit, zoals het effect veroorzaakt door hitte of door het apparaat dat fungeert als een eenvoudige, enkele junctie. Door een magnetisch veld toe te passen, observeerden ze dat de superstromen door meerdere duidelijke paden met verschillende groottes stroomden, wat verder bewees dat het apparaat fungeerde als een complex, onderling verbonden web in plaats van een eenvoudige draad. De magnetische veldpatronen lieten zien dat sommige stromen tussen nabijgelegen contacten stroomden, terwijl andere lange, lusvormige paden over het hele apparaat namen, een gedrag dat onmogelijk zou zijn in een kleinere, meer beperkte structuur.
Dit werk opent een nieuwe deur naar het begrijpen van hoe elektriciteit zich gedraagt in complexe kwantumnetwerken. Het vermogen om een negatief weerstandseffect te genereren simpelweg door de stroom in een groot, multi-terminal apparaat te veranderen, suggereert nieuwe manieren om elektronische circuits te bouwen die signalen kunnen versterken of frequenties kunnen mengen zonder dat daar veel aparte componenten voor nodig zijn. Naast het potentieel voor gebruik in circuits, biedt de grote omvang van het apparaat een uniek platform voor het bestuderen van hoe supergeleiding interageert met andere exotische toestanden van materie die in grafeen kunnen bestaan. Omdat het apparaat zo groot is, kunnen wetenschappers gates en sensoren in het midden van het materiaal plaatsen, ver weg van de randen, om de bulk-eigenschappen van de elektronen te bestuderen zonder interferentie van de contacten. Deze "Josephson Hall bar" biedt een veelzijdig podium waar de collectieve dans van supergeleidende elektronen geobserveerd en gecontroleerd kan worden, wat een helderder beeld geeft van de kwantumwereld dan ooit tevoren.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.