图片：(左）带有隧道电极的双层石墨烯约瑟夫森结器件示意图。(右图）不同栅极电压下安德列夫束缚态能级数量的变化。
韩国浦项科技大学（POSTECH）物理系的 Gil-Ho Lee 教授和 Gil Young Cho 教授与日本国立材料科学研究所（NIMS）的 Kenji Watanabe 博士和 Takashi Taniguchi 博士合作，利用栅极电压成功控制了基于双层石墨烯的约瑟夫森结中安德烈耶夫束缚态的量子力学特性。他们的研究成果发表在物理学领域的国际期刊《物理评论快报》上。
超导体是在极低温或高压等特定条件下表现出零电阻的材料。当在两个超导体之间放置一个非常薄的普通导体时，由于超导性延伸到普通导体的邻近效应，会有超电流流过普通导体。这种装置被称为约瑟夫森结。在正常导体内部，会形成新的量子态，即安德烈耶夫束缚态，这对于介导超电流流动至关重要。
安德烈耶夫束缚态的能级数量决定了约瑟夫森结的电气特性，它取决于 “传导通道长度”（正常导体的长度）与 “超导相干长度”（正常导体中能够保持超导状态的长度）之比。当传导通道很短且安德烈耶夫束缚态水平的数量仅限于一对时，系统被称为处于 “短结极限”。相反，如果有两对以上，则称为 “长结极限”。
在这项研究中，研究团队利用栅极电压实时控制双层石墨烯的二次能量分散以及超导相干长度。他们利用之前工作中开发的隧道光谱法，实时观测了不同栅极电压下安德烈耶夫束缚态的变化，并证实实验结果与理论预测相吻合。
论文第一作者、POSTECH 量子信息器件研究与教育中心研究员 Geon-Hyoung Park 说：”我们在长约瑟夫森结极限中观察到了安德烈耶夫束缚态，这种现象主要出现在短约瑟夫森结极限中。他补充说：”我们预计，仅通过施加栅极电压就能轻松调整能级数量，这为量子计算和高精度量子传感器等不同领域提供了潜在应用。”
这项研究得到了韩国国家研究基金会、科学和信息通信技术部、ITRC、空军科学研究办公室、基础科学研究所（IBS）、三星未来技术孵化计划、三星电子、基础科学研究所、JSPS KAKENHI 和世界首要国际研究中心计划（WPI）的支持。
JOURNAL
Physical Review Letters
DOI
10.1103/PhysRevLett.132.226301
ARTICLE TITLE
Controllable Andreev Bound States in Bilayer Graphene Josephson Junctions from Short to Long Junction Limits
ARTICLE PUBLICATION DATE
30-May-2024
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