Gdzie spotykają się nadprzewodniki i grafen
Fizyka mezoskopowa daje możliwość badania mechaniki kwantowej w kontrolowanych warunkach. W skali atomowej nie można w prosty sposób tworzyć sztucznych układów, natomiast układy mezoskopowe — na przykład urządzenia grafenowe, magnesy jednocząsteczkowe, nanoprzewody lub kropki kwantowe z nanorurek węglowych — można wytwarzać z określonymi stanami kwantowymi po schłodzeniu do temperatury poniżej zera absolutnego. Uczestnicy finansowanego ze środków UE projektu "Interaction of Cooper pairs and massless Dirac fermions in suspended superconductor-graphene devices" (DIRACOOPER) postanowili zbadać stany kwantowe powstające na połączeniu między grafenem a nadprzewodnikiem. W toku prac stworzono zaawansowaną technikę spektroskopową wykorzystującą nadprzewodnictwo. Pomimo szeregu różnych energii przejściowych w układach mezoskopowych w badaniach eksperymentalnych często trzeba ograniczyć się do częstotliwości poniżej 20 GHz. Przy wyższych częstotliwościach trudno jest uzyskać propagację i wykrywać mikrofale w kriostacie. Od dalekiej podczerwieni po zakres podterahertzowy sprzęganie przestrzeni swobodnych jest trudne ze względu na niedopasowanie długości fal fotonów i wielkość pojedynczych nano- lub mikrostruktur. Zespół zaproponował i zbudował oparty na chipie spektrometr ze złączem Josephsona (JJ), który umożliwia pokonanie tych trudności i pozwala na badanie właściwości elektronicznych układów mezoskopowych w przedziale od 2 GHz do 2 THz. Technika ta zapewnia dostęp do zakresu częstotliwości nieosiągalnego dla konwencjonalnych metod mikrofalowych i optycznych, a ponadto spektrometr ma posiadać wąską linię spektralną zbliżoną do najlepszych źródeł, wysoką czułość w porównaniu z najlepszymi detektorami oraz zdolność do sprzęgania systemu on-chip z układami mezoskopowymi w sposób jednorodny na całej szerokości pasma. Duża szerokość pasma i sprzęganie on-chip umożliwia śledzenie przejść dostrajanych przy pomocy zewnętrznego parametru, takiego jak pole elektryczne w grafenie czy przepływ magnetyczny w obwodach nadprzewodzących. Nową technikę zastosowano najpierw do badania par Coopera w nadprzewodnikach. Prace dotyczące pomiaru wzbudzeń par Andriejewa w nadprzewodzących stykach atomowych oraz związane z opracowaniem i zastosowaniem drugiej techniki spektroskopowej zostały opisane w publikacjach na łamach renomowanych czasopism naukowych. Ostatnio badacze pracowali nad budową spektrometru złącz Josephsona drugiej generacji oraz manipulowaniem parami Andriejewa. Wspólnym wysiłkiem udało im się teraz uzyskać wysokiej jakości próbkę grafenu do badania przy pomocy spektrometru wykorzystującego złącza Josephsona. Pionierskie prace umożliwiły stworzenie zaawansowanego nowego narzędzia do badań z dziedziny fizyki mezoskopowej, zbadanie wzbudzeń Andriejewa oraz rozpoczęcie obiecującej kariery stypendysty programu Marie Curie.
Słowa kluczowe
Grafen, pary Coopera, fermiony Diraca, nadprzewodniki, złącze Josephsona
