Superstromen in grafeem

Met deze hybride ballistische supergeleider-grafeen devices wordt het mogelijk om de unieke eigenschappen van superstromen gedragen door relativistische deeltjes te bestuderen in een onontgonnen regime. De resultaten zijn gepubliceerd in het vakblad Nature Nanotechnology*).

Ultra-schoon grafeen

Grafeen van hoge kwaliteit is cruciaal voor het functioneren van dergelijke devices. Grafeen is maar één atoom dik en erg gevoelig voor vervuiling aan het oppervlak. Tijdens nanofabricageprocessen wordt het grafeen blootgesteld aan diverse polymeren en chemicaliën, die makkelijk aan het grafeen blijven hangen en het daarmee vervuilen. Daardoor gaat de elektronische kwaliteit van het grafeen achteruit.

Om dit te voorkomen, pakken de onderzoekers het grafeen in tussen twee dunne laagjes boornitride – een isolator die perfect glad is. Door deze sandwichtechniek wordt het grafeen afgeschermd van de buitenwereld en blijft het netjes intact. Daarna worden de laagjes in de gewenste vorm gesneden en wordt het grafeen langs de zijkant gecontacteerd met een supergeleidend materiaal.

Een spiegel voor elektronengolven

Wanneer licht tussen twee spiegels heen en weer kaatst, ontstaan maxima en minima in de lichtintensiteit door interferentie. Op een analoge manier zagen de wetenschappers een interferentiepatroon doordat elektronengolven in grafeen heen en weer werden gereflecteerd bij de contacten met de supergeleider. Een dergelijk interferentiepatroon is enkel zichtbaar in de extreem schoon grafeen, dat zich ballistisch gedraagt, wat betekent dat elektronen niet alle kanten op gaan door verstrooiing aan defecten en onzuiverheden. Wanneer het grafeen supergeleidend wordt, is dit effect zichtbaar als een oscillatie van de maximale superstromen. Dit is de eerste directe observatie van ballistische interferende superstromen in een tweedimensionaal systeem.

*) Artikel: Ballistic Josephson junctions in edge-contacted graphene (DOI 10.1038/nnano.2015.156)