Nonlocal Josephson coupling and current redistribution in a large-area graphene multiterminal Josephson junction
本文表明，大面积石墨烯多端约瑟夫森结表现出显著的负微分纵向电阻，这种现象源于非局部约瑟夫森耦合与非局部常态电导之间的相互作用，为表征超导体-半导体混合系统以及探索多体基态提供了一个新的平台。
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在电学的世界里，材料通常被分为两个阵营：导体，其电子流动的过程就像水流过宽阔的管道一样自由；以及绝缘体，它们完全阻断了这种流动。在这两个极端之间，存在着一种被称为“超导”的特殊状态，在这种状态下，某些材料可以实现毫无电阻的电流传输。当两个超导体被一层薄薄的屏障隔开时，它们仍能通过一种量子效应进行“对话”，使得电流可以在没有电池推动的情况下跨越间隙流动。这就是约瑟夫森效应（Josephson effect），这一现象已成为构建灵敏传感器和最先进量子计算机的基石。几十年来，科学家们一直利用仅有两个超导引线的简单装置来研究这些连接。然而，通过增加引线数量并创建复杂的网络，研究人员预测会出现一种全新的行为图景，即电流可以以简单的两线连接无法实现的各种方式进行引导和塑造。挑战在于，如何构建一个足够大的器件，以便在信号不至于在传统微芯片那狭小、拥挤的空间中丢失的情况下，清晰地观察到这些复杂的相互作用。
现在，一个研究小组已经制造出了这样一个器件，他们创建了一个大规模网络，揭示了电流在其间流动的一种令人惊讶且极具实用价值的行为。他们构建了一个名为“约瑟夫森霍尔棒”（Josephson Hall bar）的器件，该器件由一层被称为石墨烯的单层碳原子组成，夹在保护层之间，并连接着六个不同的金属引线。与以往微观规模的实验不同，这个器件足够大，可以用标准显微镜观察到，其跨度达数微米。研究人员向器件中注入电流，并观察随着电流增加，电压是如何变化的。他们发现，当电流达到特定点时，随着电流进一步增加，器件中间部分的电压突然下降。这种“推力越大，电阻反而越小”的反直觉行为被称为负微分电阻（negative differential resistance）。这种现象通常需要复杂的电路才能实现，但在本研究中，它却由于石墨烯大面积开放空间内超导电流的相互作用而自然产生。
这一发现的关键在于器件的尺寸以及超导电流在其间流动的独特方式。在较小的传统器件中，超电流仅在相邻部分之间流动，就像人们在短线上传递信息一样。但在这种大型石墨烯棒中，超电流可以以协调的方式在并非紧邻的远端终端之间旅行。研究人员发现，随着电流增加，网络的各个部分并非同时发生变化，而是逐一从超导态切换到常态电阻态。首先发生切换的是长条中间部分的连接。一旦中间部分发生切换，电流就被迫寻找新的路径。由于该器件规模较大，电流可以重新分配到其他仍处于超导状态的路径中。这种重新分配导致测得的中间电压下降，从而产生了负电阻效应。团队通过建立一个包含了长程超导连接和常态电流路径的计算机模型，成功复现了实验中观察到的奇异电压降，从而证实了这一点。
为了确保这是一种基础性的网络特性，而非特定设置下的偶然现象，研究人员在不同条件下对器件进行了测试。他们改变了石墨烯中的电子数量，改变了温度，甚至使用不同的材料和层厚度制造了多个不同版本的器件。在每种情况下，负电阻效应都出现了，这表明该现象是这类大规模网络的一个稳健特征。他们还排除了其他可能性，例如该效应是由热效应引起的，或者器件表现得像一个简单的单结器件。通过施加磁场，他们观察到超电流正通过多个不同的路径流动，从而进一步证明该器件作为一个复杂、互连的网络在运作，而非一个简单的导线。磁场模式显示，一些电流在靠近接触点的路径中流动，而另一些电流则在整个器件上采取长距离的环绕路径，这种行为在更小、更受限的结构中是不可能发生的。
这项工作为理解电流在复杂量子网络中的行为开启了一扇新门。通过仅改变大型多端器件中的电流即可产生负电阻效应，这暗示了构建新型电子电路的新途径，例如在不需要许多独立组件的情况下实现信号放大或频率混合。除了在电路方面的潜力外，该器件的大尺寸也提供了一个独特的平台，用于研究超导性如何与其他存在于石墨烯中的奇异物质态相互作用。由于器件规模较大，科学家可以在远离边缘的材料中间放置栅极和传感器，从而在不受接触点干扰的情况下研究电子的体性质。这个“约瑟夫森霍尔棒”提供了一个多功能的舞台，让科学家可以观察并控制超导电子的集体舞动，从而比以往任何时候都能更清晰地观察量子世界。
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