(а) Схематическое сечение нашего устройства. Gr Δ — сверхпроводящий графен под BSCCO, Gr’ — p-легированный графен, Gr — нативный графен. d — длина Gr′. Пунктирные линии на обоих концах Gr' обозначают интерфейсы. (b) Оптическая микрофотография устройства A из таблицы 1. S — сокращение от BSCCO. Пунктирный белый контур помечает графен. Красные X и N1–N5 — контакты к графену. C1–C4 являются контактными лицами BSCCO. Масштабная линейка составляет 10 мкм.
Авторы и права: Письма с физическим обзором (2023 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.156201

Разработка новых квантовых устройств зависит от управления поведением электронов. Материал под названием графен, состоящий из одного слоя атомов углерода, в последние годы привлек внимание исследователей тем, что его электроны ведут себя так, как будто у них нет массы. На протяжении десятилетий ученых также интересовали высокотемпературные сверхпроводники: керамические материалы, в которых взаимодействие электронов приводит к макроскопическому квантовому состоянию, где электроны спариваются друг с другом. Они делают это при температуре выше обычной сверхпроводящей температуры металлов, которая приближается к абсолютному нулю.

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, исследователи из Политехнического института SUNY, Университета Стоуни-Брук и Брукхейвенской национальной лаборатории в США, а также Университета Аалто в Финляндии продемонстрировали новое электронное устройство, в котором используются уникальные способы поведения электронов в графене и высокотемпературных сверхпроводниках.

Эксперимент под руководством Шарада Джойса и Джи Унг Ли из SUNY при поддержке теоретической работы, проделанной Хосе Ладо, доцентом Aalto, продемонстрировал новое квантовое устройство, сочетающее в себе графен и нетрадиционный высокотемпературный сверхпроводник.

В частности, команда продемонстрировала, что в электронном транспорте между графеном и высокотемпературным сверхпроводником преобладает уникальный транспортный процесс, возникающий из комбинации двух специфических свойств: туннелирования Клейна графена и андреевского отражения сверхпроводника. Команда впервые экспериментально показала, что этот транспортный процесс полностью согласуется с существующими теоретическими предсказаниями относительно гибридного электронного транспорта Андреева-Клейна.

Туннелирование и отражение
Исследование основано на двух уникальных явлениях, обнаруженных в этих материалах: туннелировании Клейна в графене и андреевском отражении в нетрадиционных высокотемпературных сверхпроводниках. Поскольку электроны графена ведут себя так, как будто у них нет массы, они могут двигаться в ситуациях, в которых обычные электроны не могут. Это явление известно как туннелирование Клейна.

В свою очередь электроны в высокотемпературных сверхпроводниках образуют так называемые куперовские пары двух электронов. Куперовские пары могут иметь уникальные математические структуры, приводящие к нетрадиционным сверхпроводящим состояниям. Когда куперовская пара образуется точно в точке встречи стандартного материала, такого как кусок металла и сверхпроводник, это может привести к явлению, называемому андреевским отражением, при котором пара «отбрасывает» частицы другого типа в металл.

В то время как андреевское отражение с участием обычных сверхпроводников и металлов хорошо изучено, то же самое с графеновыми электронами и высокотемпературными сверхпроводниками до сих пор не было продемонстрировано.

Веха в квантовых устройствах с графеном
«Демонстрация электронного транспорта, возникающего в результате туннелирования Клейна в графене и нетрадиционной сверхпроводящей пары, устанавливает веху в квантовых устройствах на основе графена. Это наблюдение устанавливает отправную точку для разработки совершенно нового семейства сверхпроводящих квантовых схем на основе графена, которые используют нетрадиционную сверхпроводимость». — говорит Ладо.

Уникальные электронные свойства графена сделали его перспективной платформой для разработки электроники, не потребляющей много энергии. Обычные сверхпроводники являются ключевыми материалами в различных квантовых устройствах, и они особенно важны в одной из стратегий создания как кубитных, так и топологических квантовых компьютеров. Объединив эти два фактора, результаты исследования могут открыть новую фундаментальную физику в этих материалах и в конечном итоге создать совершенно новую платформу для устройств квантовых технологий.