Wenn Supraleiter auf Graphen treffen
Die mesoskopische Physik ermöglicht die Untersuchung der Quantenmechanik in einer kontrollierten Umgebung. Auf atomarer Ebene können Systeme nur schwer künstlich hergestellt werden, wohingegen mesoskopische Systeme – z. B. Graphengeräte, Einzelmolkülmagnete, Quantenpunkte aus Nanodrähten oder Kohlenstoffnanoröhren sowie supraleitende schwache Kopplungen – so gefertigt werden können, dass sie bei Abkühlung auf Temperaturen von unter einem Kelvin über gut definierte Quantenzustände verfügen. Das EU-finanzierte Projekt "Interaction of Cooper pairs and massless Dirac fermions in suspended superconductor-graphene devices" (DIRACOOPER) wurde ins Leben gerufen, um die Quantenzustände zu erforschen, die bei einem Graphen-Supraleiter-Kontakt entstehen. Im Lauf des Projekts entwickelte des Team ein leistungsfähiges spektroskopisches Verfahren, das von Supraleitfähigkeit Gebrauch macht. Trotz einer breiten Auswahl relevanter Übergangsenergien in mesoskopischen Systemen müssen diese oft bei Frequenzen von unter 20 GHz erforscht werden. Bei höheren Frequenzen wird es immer schwieriger und teurer, Mikrowellen in einem Kryostat zu verbreiten und zu detektieren. Vom fernen Infrarotbereich bis in den Sub-THz-Bereich hinein ist eine Kopplung mit dem freien Raum aufgrund des Ungleichgewichts zwischen der Wellenlänge der Photonen und der Größe der einzelnen Nano- und Mikrostrukturen problematisch. Das Team schlug ein Spektrometer vor, das auf einem Josephson-Kontakt auf einem Chip beruht, mit dem diese Schwierigkeiten überwunden und die Untersuchung der elektronischen Eigenschaften der mesoskopischen Systeme zwischen 2 GHz und 2 THz ermöglicht werden könnte. Dieses Spektrometer wurde realisiert. Die Technik macht nicht nur einen Frequenzbereich zugänglich, der außerhalb der Reichweite herkömmlicher Mikrowellenverfahren und optischer Methoden liegt, das Spektrometer soll auch eine schmale, mit den besten Quellen vergleichbare Emissionslinienbreite sowie eine mit den besten Detektoren vergleichbare Empfindlichkeit aufweisen und dazu in der Lage sein, mesoskopische Systeme über die gesamte Bandbreite hinweg uniform on-chip zu koppeln. Die größere Bandbreite und die On-Chip-Kopplung ermöglicht das Verfolgen von Übergängen, die von einem externen Parameter abgestimmt werden, etwa einem elektrischen Feld in Graphen oder dem magnetischen Fluss in supraleitenden Schaltkreisen. Das neue Verfahren wurde erstmals angewandt, um Cooper-Paare in Supraleitern zu untersuchen. Die Messung der Anregungen von Andreev-Paaren in supraleitfähigen atomaren Kontakten und die Entwicklung und Anwendung eines zweiten Spektroskopieverfahrens führte zu Veröffentlichungen in angesehenen, von Experten geprüften Fachzeitschriften. In jüngster Zeit arbeiteten die Forscher an der Umsetzung eines Josephson-Kontakt-Spektrometers der zweiten Generation und der Manipulation von Andreev-Paaren. Gemeinsam konnten sie nun eine hochwertige Graphenprobe zur Untersuchung mit dem Josephson-Kontakt-Spektrometer erstellen. Durch diese wegweisende Arbeit konnte ein leistungsstarkes neues Instrument für die mesoskopische physikalische Forschung bereitgestellt und die vielversprechende Karriere des beteiligten Marie-Curie-Stipendiaten auf Kurs gebracht werden.
