Donde se cruzan los superconductores con el grafeno
La física mesoscópica ofrece una oportunidad para estudiar la mecánica cuántica en un entorno controlado. En la escala atómica, no es posible diseñar sistemas fácilmente, mientras que los sistemas mesoscópicos, como los dispositivos de grafeno, los imanes de una sola molécula, los nanohilos o los puntos cuánticos en forma de nanotubos de carbono y los enlaces débiles superconductores, se pueden fabricar para obtener estados cuánticos bien definidos cuando se enfrían a temperaturas sub Kelvin. El proyecto «Interaction of Cooper pairs and massless Dirac fermions in suspended superconductor-graphene devices» (DIRACOOPER), financiado por la Unión Europea, se inició con el fin de estudiar los estados cuánticos que se forman en una unión grafeno-superconductor. De paso, el equipo del proyecto desarrolló una potente técnica espectroscópica que aprovecha la superconductividad. A pesar de la amplia gama de energías de transición relevantes en sistemas mesoscópicos, a menudo los experimentos se limitan a analizarlos a frecuencias inferiores a 20 GHz. A frecuencias mayores, resulta excesivamente difícil y costoso propagar y detectar microondas en un criostato. Desde el infrarrojo lejano hasta el rango por debajo de THz, el acoplamiento en el espacio libre resulta difícil debido a la diferencia de longitudes de ondas de los fotones y el tamaño de las nano o microestructuras. El equipo propuso y construyó un espectrómetro basado en uniones Josephson (JJ) sobre un chip, el cual supera estas dificultades y permite estudiar las propiedades electrónicas de los sistemas mesoscópicos entre 2 GHz y 2 THz. La técnica no solo permite acceder a un intervalo de frecuencias fuera del alcance de los métodos ópticos y de microondas convencionales, sino que además se espera que el espectrómetro tenga una línea de emisión estrecha comparable a las de las mejores fuentes, una sensibilidad comparable a la de los mejores detectores y la capacidad de acoplar sistemas mesoscópicos en chip uniformemente en todo el ancho de banda. El gran ancho de banda y el acoplamiento en chip permite seguir las transiciones sintonizadas mediante un parámetro externo, como el campo eléctrico en el grafeno o el flujo magnético en circuitos superconductores. La técnica nueva se aplicó por primera vez al estudio de pares de Cooper en superconductores. El trabajo realizado con la medición de excitaciones de pares de Andreev en contactos atómicos superconductores y el desarrollo y la aplicación de una segunda técnica espectroscópica dieron lugar a publicaciones en prestigiosas revistas sometidas a revisión. Más recientemente los investigadores han trabajado para realizar un espectrómetro de unión de Josephson de segunda generación y en la manipulación de pares de Andreev. En un esfuerzo colaborativo, ahora han obtenido una muestra de grafeno de alta calidad para investigarla con el espectrómetro de unión Josephson. El trabajo pionero realizado ha dado lugar a una nueva herramienta potente para la investigación en física mesoscópica, ha aportado información sobre las excitaciones de Andreev y ha ayudado a iniciar la carrera prometedora del beneficiario del programa Marie Curie.
Palabras clave
Grafeno, pares de Cooper, fermiones de Dirac, superconductor, unión Josephson
