Джозефсоновский переход создается путем размещения тонкого слоя несверхпроводящего материала между двумя сверхпроводящими слоями. Сплетенные пары сверхпроводящих электронов, известные как куперовские пары, при определенных обстоятельствах могут проходить без сопротивления через изолирующий или частично изолирующий средний слой.
Ток без сопротивления возникает до критического значения, выше которого на переходе устанавливается изменяющееся во времени (переменное) напряжение. Обнаружение и измерение изменений между текущими состояниями — основа многих приложений, использующих джозефсоновские переходы.
Электронные логические схемы могут быть построены из массивов джозефсоновских переходов, которые также используются в сверхпроводящих квантовых интерференционных устройствах. СКВИДы чрезвычайно чувствительны к электромагнитным полям и составляют основу магнитометров, которые могут измерять поля до нескольких аттотеслов (10-18 Тл), и вольтметров, реагирующих на разность потенциалов в пиковольтах (10-12 В).
Практическое применение таких сверхчувствительных устройств включает измерение неврологических токов в головном мозге или сердце, а также геофизические исследования. Военные приложения включают удаленное обнаружение подводных лодок.
В последнем выпуске журнала Nature Nanotechnology международная группа физиков во главе с членом Graphene Flagship Ливеном Вандерсипеном из Института нанонауки Кавли в Делфте демонстрирует однозначные подписи джозефсоновских контактов в графене, двумерном аллотропе атомы углерода расположены в гексагональной решетке. В статье, ведущими авторами которой являются Виктор Каладо и Сриджит Госвами, исследователи рассматривают баллистические сверхтоки в графене с отражением электронов между одномерными краевыми контактами из молибден-рениевого сплава.
Сверхчистый графен, использованный в эксперименте — необходимый для сохранения уникальных электрических свойств материала — защищен от загрязнения окружающей среды, заключен между листами изолирующего двухмерного материала гексагонального нитрида бора.
Затем этот трехслойный пакет нарезается желаемой формы, и графен помещается в контакт со сверхпроводящим сплавом.
Подобно тому, как свет отражается между двумя зеркалами, что приводит к интерференционной картине, создаваемой суперпозицией падающих и отраженных электромагнитных волн, электроны могут отражаться от краев сверхпроводника. Разница в том, что интерференция электронов наблюдается только в ультрачистых образцах, в которых заряженные частицы могут двигаться по баллистическим траекториям с минимальным рассеянием на примесях в материале.
Это то, что Каладо, Госвами и его коллеги наблюдали в своей установке, с поразительной модуляцией сверхтока.
В своей статье Nature Nanotechnology исследователи ссылаются на критический ток, осциллирующий в результате фазово-когерентной интерференции электронов и электронных дырок, которые переносят ток. Это вызвано образованием резонансной (Фабри-Перо) полости между точками зеркала. Кроме того, наблюдаются относительно большие сверхтоки, распространяющиеся на расстояния до 1.5 микрометров.
Исследователи считают, что это первое прямое наблюдение баллистического зеркального отражения сверхтоков в графене.
«Эта работа позволяет нам раскрыть новую физику, связанную с взаимодействием между сверхпроводимостью и релятивистским поведением электронов в графене», — сказал Госвами. «С помощью этой технологии мы можем изучать и использовать джозефсоновские переходы графена в новом захватывающем режиме."