Схема устройства джозефсоновского перехода из двухслойного графена с туннельным электродом.

Исследователи успешно контролировали квантово-механические свойства связанных состояний Андреева в двухслойных графеновых переходах Джозефсона с использованием напряжения затвора. Статья опубликована в Physical Review Letters. В исследовательскую группу входят профессора Гил-Хо Ли и Гил Ён Чо с кафедры физики в Университете науки и технологий Пхохана (POSTECH) в Южной Корее в сотрудничестве с доктором Кенджи Ватанабэ и доктором Такаши Танигучи из Национального института материаловедения (NIMS) в Японии.

Сверхпроводники — это материалы, которые проявляют нулевое электрическое сопротивление в определенных условиях, таких как экстремально низкие температуры или высокие давления. Когда очень тонкий нормальный проводник помещается между двумя сверхпроводниками, через нормальный проводник течет сверхток из-за эффекта близости, при котором сверхпроводимость распространяется на нормальный проводник. Это устройство известно как переход Джозефсона.

Внутри нормального проводника образуются новые квантовые состояния, называемые андреевскими связанными состояниями, которые имеют решающее значение для обеспечения потока сверхтока.

Число энергетических уровней в андреевских связанных состояниях, определяющее электрические свойства джозефсоновского перехода, зависит от отношения длины канала проводимости (длины нормального проводника) к длине сверхпроводящей когерентности (длине, по которой проходит сверхпроводящий проводник), состояние может поддерживаться в нормальном проводнике.

Когда канал проводимости короткий и число уровней связанного состояния Андреева ограничено парой, говорят, что система находится в пределе короткого перехода. И наоборот, если имеется более двух пар, это называется пределом длинного перехода.

В этой работе исследовательская группа использовала напряжение на затворе для управления квадратичной дисперсией энергии двухслойного графена, а также длиной сверхпроводящей когерентности в реальном времени. Используя туннельную спектроскопию, разработанную в их предыдущей работе, они наблюдали изменение связанных состояний Андреева при различных напряжениях на затворе в реальном времени и подтвердили, что экспериментальные результаты соответствуют теоретическим предсказаниям.

Геон-Хьюнг Пак, ведущий автор и исследователь в Исследовательском и образовательном центре квантовых информационных устройств POSTECH, заявил: «Мы наблюдали связанные состояния Андреева в пределе длинного джозефсоновского перехода, явление, которое преимущественно наблюдается в пределе короткого джозефсоновского перехода. Мы ожидаем, что количество энергетических уровней можно легко регулировать, применяя только напряжение на затворе, что открывает потенциальные возможности применения в различных областях, таких как квантовые вычисления и высокоточные квантовые датчики».