石墨烯夹在超导体之间 采用异国电子态

在诸如银和铜的常规导电材料中，电流以不同程度的电阻流动，以单个电子的形式流出，从而消除缺陷，随着它们去除能量。相比之下，超导体因其卓越的无电阻导电能力而得名，通过电子配对并作为一体材料移动，不会产生摩擦。

现在，麻省理工学院的物理学家发现，当石墨烯与两种超导材料紧密接触时，它们可以继承这些材料中的一些超导质量。由于石墨烯夹在超导体之间，其电子状态即使在其中心也会发生显着变化。

研究人员发现，石墨烯的电子，以前表现为单独的散射粒子，而是配对在“Andreev状态” - 一种基本的电子配置，允许传统的非超导材料带有“超电流”，一种流动而不消耗能量的电流。

他们的研究成果发表于自然物理学，是安德列夫州首次对超导电性在石墨烯等二维材料中的“邻近效应”进行的研究。

在路上，研究人员的石墨烯平台可用于探索外来粒子，如Majorana费米子，它们被认为是由Andreev状态产生的，可能是构建强大的，防错量子计算机的关键粒子。

“在凝聚的物理学界，人们正在努力寻找奇异的量子电子态，”主要作者兰德里布雷索说，他是麻省理工学院物理系的博士后。“特别是，预计称为Majorana费米子的新粒子会出现在与超导电极连接并暴露于大磁场的石墨烯中。我们的实验很有希望，因为我们正在统一其中一些成分。“

兰德里的麻省理工学院合着者是博士后Joel I-Jan Wang，访问学生Riccardo Pisoni，物理学副教授Pablo Jarillo-Herrero，以及日本国立材料科学研究所的Watjiabe和Takashi Taniguchi。

超导邻近效应

1962年，英国物理学家布莱恩大卫约瑟夫森预测，在它们之间夹入非超导层的两个超导体可以维持电子对的超电流，而不需要任何外部电压。

总的来说，在许多实验中已经测量了与约瑟夫森效应相关的超电流。但安德列夫声称 - 被认为是超级电流的微观构件 - 只能在少数系统中观察到，例如银线，而不是二维材料。

Bretheau，Wang和Jarillo-Herrero通过使用石墨烯(一种相互连接的碳原子超薄片)作为非超导材料来解决这个问题。正如Bretheau所解释的那样，石墨烯是一种极其“干净”的系统，几乎没有电子散射。石墨烯的扩展原子配置还使科学家能够在材料与超导体接触时测量石墨烯的电子Andreev状态。科学家还可以控制石墨烯中的电子密度，并研究它如何影响超导邻近效应。

研究人员从一大块石墨中剥离了一层非常薄的石墨烯薄片，只有几百纳米宽，并将薄片放在一块由氮化硼晶体覆盖的小平台上，覆盖着一片石墨。在石墨烯薄片的两端，它们放置了一个由铝制成的电极，在低温下表现为超导体。然后，他们将整个结构放入稀释冰箱中，并将温度降至20毫开尔 - 完全在铝的超导范围内。

“沮丧”的状态

在他们的实验中，研究人员通过对整个结构施加变化的磁场来改变超导体之间流动的超电流的大小。他们还将外部电压直接施加到石墨烯上，以改变材料中的电子数量。

在这些变化的条件下，该团队测量了石墨烯的电子态密度，同时薄片与两个铝超导体接触。使用隧道光谱法，一种测量导电样品中电子态密度的常用技术，研究人员能够探测石墨烯的中心区域，看看超导体是否有任何影响，即使在它们没有物理接触石墨烯的区域也是如此。 。

测量结果表明石墨烯的电子通常作为单个粒子配对，但在“挫败”配置中，能量依赖于磁场。

“超导体中的电子成对地和谐地跳舞，就像芭蕾舞一样，但左右超导体的编舞可能会有所不同，”Bretheau说。“当他们试图满足两种舞蹈方式时，中央石墨烯中的对是令人沮丧的。这些沮丧的对是物理学家所知道的安德列夫所说的; 他们带着超级电流。“

Bretheau和Wang发现安德列夫州在变化的磁场中改变了他们的能量。当石墨烯具有更高的电子密度并且在电极之间存在更强的超电流时，Andreev状态更明显。

“[超导体]实际上为石墨烯提供了一些超导特性，”Bretheau说。“我们发现这些电子会受到超导体的极大影响。”

虽然研究人员在低磁场下进行了实验，但他们说他们的平台可能是探索应该出现在高磁场下的更具异国情调的Majorana费米子的起点。

“有人提出如何使用Majorana费米子建立强大的量子计算机，”Bretheau说。“这些粒子可能是拓扑量子计算机的基本组成部分，具有很强的防错能力。我们的工作是朝这个方向迈出的第一步。“