Forscher haben erfolgreich die quantenmechanischen Eigenschaften von Andreev-gebundenen Zuständen in zweilagigen Graphen-basierten Josephson-Kontakten mithilfe der Gate-Spannung kontrolliert. Ihre Forschung ist veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Überprüfung. Zum Forschungsteam gehören die Professoren Gil-Ho Lee und Gil Young Cho von der Fakultät für Physik der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) in Südkorea in Zusammenarbeit mit Dr. Kenji Watanabe und Dr. Takashi Taniguchi vom National Institute for Materials Science (NIMS) in Japan.
Supraleiter sind Materialien, die unter bestimmten Bedingungen, wie beispielsweise extrem niedrigen Temperaturen oder hohem Druck, keinen elektrischen Widerstand aufweisen. Wenn ein sehr dünner Normalleiter zwischen zwei Supraleiter gelegt wird, fließt aufgrund des Proximity-Effekts, bei dem die Supraleitung in den Normalleiter hineinreicht, ein Suprastrom durch den Normalleiter. Dieses Gerät wird als Josephson-Kontakt bezeichnet.
Innerhalb des Normalleiters bilden sich neue Quantenzustände, so genannte Andreev-gebundene Zustände, die für die Vermittlung des Suprastromflusses von entscheidender Bedeutung sind.
Die Anzahl der Energieniveaus in den Andreev-gebundenen Zuständen, die die elektrischen Eigenschaften eines Josephson-Kontakts bestimmt, hängt vom Verhältnis der Leitungskanallänge (der Länge des Normalleiters) zur supraleitenden Kohärenzlänge (der Länge, entlang der der supraleitende Zustand im Normalleiter aufrechterhalten werden kann) ab.
Wenn der Leitungskanal kurz ist und die Anzahl der Andreev-gebundenen Zustandsniveaus auf ein Paar begrenzt ist, spricht man von einem System im Kurzschlussgrenzwert. Wenn dagegen mehr als zwei Paare vorhanden sind, spricht man von einem Langschlussgrenzwert.
In dieser Studie verwendete das Forschungsteam die Gate-Spannung, um die quadratische Energiedispersion von zweischichtigem Graphen sowie die supraleitende Kohärenzlänge in Echtzeit zu steuern. Mithilfe der in ihrer früheren Arbeit entwickelten Tunnelspektroskopie beobachteten sie die Änderung der Andreev-gebundenen Zustände bei unterschiedlichen Gate-Spannungen in Echtzeit und bestätigten, dass die experimentellen Ergebnisse den theoretischen Vorhersagen entsprachen.
Geon-Hyoung Park, Hauptautor und Forscher am Quantum Information Device Research and Education Center von POSTECH, erklärte: „Wir haben die Andreev-gebundenen Zustände im Grenzfall langer Josephson-Übergänge beobachtet, ein Phänomen, das vorwiegend im Grenzfall kurzer Josephson-Übergänge auftritt. Wir gehen davon aus, dass die Anzahl der Energieniveaus problemlos allein durch Anlegen einer Gate-Spannung angepasst werden kann, was potenzielle Anwendungen in verschiedenen Bereichen wie Quantencomputern und hochpräzisen Quantensensoren bietet.“
Mehr Informationen:
Geon-Hyoung Park et al., Kontrollierbare Andreev-gebundene Zustände in zweischichtigen Graphen-Josephson-Übergängen von kurzen zu langen Übergangsgrenzen, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.226301. An arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2312.02640