超導量子干涉器件（SQUID）的研究一直是量子電子學領域的基石。這些利用超導體量子力學特性的器件在從高靈敏度磁力計到量子計算中的量子比特開發(fā)等應用中都至關重要。SQUID 的一個關鍵方面是構成器件的約瑟夫森結的電流-相位關系（CPR）。傳統(tǒng)上，CPR 主要由 sin(φ) 諧波主導，其中 φ 是兩個引線之間超導序參數(shù)的相位差。然而，最近的進展表明存在更高階的諧波，這可能顯著影響量子電路的設計和功能。

背景

在約瑟夫森結中，CPR 描述了通過結的超電流與相位差之間的關系。這一關系對于理解超導電路的行為至關重要。傳統(tǒng)的 CPR 由 I=I_c sin(φ) 給出，其中 I_c 是臨界電流。然而，由于各種因素，包括材料特性和結的幾何形狀，可能會出現(xiàn)偏離這種簡單形式的情況。

石墨烯是一種具有卓越電子特性的二維材料，已成為創(chuàng)建新型約瑟夫森結的有前途的候選材料。當石墨烯被置于兩個超導體之間時，由于其類狄拉克電子譜和高載流子遷移率，它可以表現(xiàn)出獨特的超導特性。這導致了對基于石墨烯的 SQUID 的探索，其中 CPR 可以通過外部參數(shù)如柵極電壓進行調節(jié)。

實驗裝置

所討論的實驗涉及一個具有柵極可調約瑟夫森結的基于石墨烯的 SQUID。該器件通過將石墨烯片放置在六方氮化硼（hBN）基板上，然后用另一層 hBN 包裹來制造。超導接觸使用鈮或鋁等材料制成。然后將整個結構圖案化以形成 SQUID 環(huán)。

為了測量 CPR，將器件冷卻到低溫以誘導超導性。向 SQUID 環(huán)施加磁通量，并測量相位差 φ 的函數(shù)的超電流。通過仔細調節(jié)柵極電壓，研究人員可以控制石墨烯中的載流子密度，從而修改 CPR。

結果

該研究的關鍵發(fā)現(xiàn)是直接測量了基于石墨烯的 SQUID 中的 sin(2φ) CPR。與傳統(tǒng)的 sin(φ) 關系不同，sin(2φ) 項表明超電流取決于兩倍的相位差。這種高階諧波不受傳統(tǒng)上占主導地位的 sin(φ) 分量的影響，這是典型約瑟夫森結行為的顯著偏離。

實驗數(shù)據(jù)表明，通過調節(jié)柵極電壓可以實現(xiàn) sin(2φ) CPR，這改變了石墨烯的電子特性。這種可調性是基于石墨烯的器件的獨特優(yōu)勢，允許精確控制 CPR。sin(φ) 項的缺失表明結在高階隧穿過程占主導地位的狀態(tài)下運行。

意義

在基于石墨烯的 SQUID 中發(fā)現(xiàn) sin(2φ) CPR 對超導電子學領域具有深遠的意義。首先，它為設計具有定制特性的量子電路開辟了新的可能性。可以利用高階諧波創(chuàng)建對抗退相干更為穩(wěn)健的量子比特，這是量子計算中的一個主要挑戰(zhàn)。此外，通過柵極電壓調節(jié) CPR 的能力提供了操縱超導器件中量子態(tài)的多功能工具。

此外，這項工作突顯了石墨烯作為下一代量子技術材料的潛力。其卓越的電子特性，加上與其他二維材料集成的能力，使其成為探索新型量子現(xiàn)象的有吸引力的平臺。

結論

在石墨烯超導量子干涉器件中直接測量 sin(2φ) 電流相位關系代表了量子電子學領域的重大進展。這一發(fā)現(xiàn)不僅挑戰(zhàn)了對約瑟夫森結的傳統(tǒng)理解，還為開發(fā)性能增強的量子電路開辟了新的途徑。隨著該領域研究的繼續(xù)，我們可以期待進一步的突破，為實現(xiàn)實用的量子技術鋪平道路。