Il punto di incontro tra superconduttori e grafene
La fisica mesoscopica offre l’opportunità di studiare la meccanica quantistica in un ambiente controllato. Sulla scala atomica, i sistemi non sono facilmente progettabili, mentre i sistemi mesoscopici, come i dispositivi di grafene, i magneti monomolecolari, i punti quantici di nanofili o nanotubi in carbonio e gli anelli deboli superconduttori, sono fabbricabili in modo da avere stati quantici prestabiliti in caso di raffreddamento fino a temperature negative. Il progetto DIRACOOPER (“Interaction of Cooper pairs and massless Dirac fermions in suspended superconductor-graphene devices”), finanziato dall’UE, intende studiare gli stati quantici che si formano sulla giunzione grafene-superconduttore. Durante il progetto, il team ha sviluppato una potente tecnica spettroscopica che sfrutta la superconduttività. Nonostante una serie di energie di transizione rilevanti nei sistemi mesoscopici, lo sperimentatore spesso è limitato ad analizzarli a frequenze minori di 20 GHz. A frequenze maggiori, diventa più complesso e costoso propagare e rilevare le microonde in un criostato. Dal lontano infrarosso fino alla gamma sub-THz, l’accoppiamento nello spazio libero risulta difficile per via della mancata corrispondenza tra lunghezza d’onda del fotone e dimensioni delle singole nano- o micro-strutture. Il team ha proposto e realizzato uno spettrometro basato su una giunzione Josephson (JJ) su chip, che supera queste difficoltà e permette di esaminare le proprietà elettroniche dei sistemi mesoscopici tra 2 GHz e 2 THz. La tecnica non permette solo di raggiungere una gamma di frequenza oltre la portata dei convenzionali metodi a microonde e ottici, ma si prevede che lo spettrometro abbia una larghezza di linea delle emissioni ridotta rispetto a quelle delle migliori sorgenti, una sensibilità elevata comparabile a quelle dei migliori rivelatori e la capacità di accoppiarsi in modo uniforme su chip con sistemi mesoscopici sull’intera larghezza di banda. L’ampia larghezza di banda e l’accoppiamento su chip permettono transizioni successive regolate da un parametro esterno, come ad esempio un campo elettrico in grafene o il flusso magnetico nei circuiti superconduttori. La nuova tecnica è stata applicata per la prima volta per studiare le coppie di Cooper nei superconduttori. La misurazione delle eccitazioni delle coppie di Andreev nei contatti atomici superconduttori e lo sviluppo e l’applicazione di una seconda tecnica spettroscopica hanno portato alle pubblicazioni su stimati giornali supervisionati da esperti in materia. Recentemente, i ricercatori hanno lavorato alla realizzazione di uno spettrometro a giunzione Josephson di seconda generazione e alla manipolazione delle coppie di Andreev. In uno sforzo collaborativo, sono riusciti a ottenere un campione di grafene di alta qualità per l’analisi, utilizzando lo spettrometro a giunzione Josephson. Questo lavoro pionieristico ha dato vita a un nuovo potente strumento per la ricerca fisica mesoscopica, facendo luce sulle eccitazioni di Andreev e aiutando a lanciare la promettente carriera del team del Marie Curie.
