Supercorrientes en grafeno gracias al efecto Hall cuántico

Dibujo20160706 Schematics of the Andreev bound states on the opposite sides of the sample sciencemag org

La combinación de la superconductividad y del efecto Hall cuántico permite crear nuevos estados topológicos de contorno. Bajo un campo magnético intenso, una hoja de grafeno que conecta dos electrodos superconductores propaga una supercorriente formada por estados de contorno con quiralidad definida. Estos estados son el prerrequisito para observar fermiones de Majorana y parafermiones en estos nanodispositivos, luego prometen futuras aplicaciones en computación cuántica robusta.

En las uniones Josephson cada contorno propaga su propia supercorriente. Sin embargo, cuando interviene el efecto Hall cuántico (gracias al grafeno) el origen de la supercorriente son estados de Andreev que acoplan electrones y huecos en bordes opuestos de la estructura, incluso si están separados varios micrómetros. Este fenómeno no había sido observado hasta ahora.

El artículo es F. Amet, C. T. Ke, …, G. Finkelstein, “Supercurrent in the quantum Hall regime,” Science 352: 966-969 (20 May 2016), doi: 10.1126/science.aad6203.

Dibujo20160706 Differential resistance measured at 45 mK as a function of bias current and gate voltage sciencemag org

En los experimentos se ha encapsulado grafeno entre dos capas de nitruro de boro (para evitar que esté suspendido) y se aplica un campo magnético de varios teslas. El grafeno conecta sendos electrodos superconductores hechos de una aleación de molibdeno-renio (MoRe). La ventaja del MoRe es que su campo magnético crítico es de 8 teslas. El dispositivos se enfría a una temperatura T < 0,5 K (cuando la temperatura crítica del MoRe es de Tc ≈10 K).

La coexistencia del efecto Hall cuántico y la superconductividad se observa en esta figura de la resistencia diferencial dV/dI, con la tensión de puerta VG en el eje horizontal y la corriente I en el eje vertical. El dispositivo está enfriado a 45 mK y se ha aplicado un campo magnético de B = 1,4 teslas. Las regiones oscuras (de color negro) corresponden al comportamiento superconductor (mínimos nulos de dV/dI). Las líneas verticales corresponden a los plateaus asociados al efecto Hall cuántico para ν = 4(n + 1/2) con n entero (los númeos 2, 6, 10, 14 y 18 en color blanco).

Dibujo20160706 Differential resistance measured at 40 mK as a function of bias current I and incremental magnetic field sciencemag org

La resistencia diferencial dV/dI se comporta de forma periódica en función del campo magnético aplicado (B+δB, con B = 1 T y δB de varios mT). Se observa que la corriente oscila con una periodo de 0,5 mT (en esta figura la temperatura es 40 mK). Este comportamiento tiene su origen en los estados ligados de Andreev, formados por un electrón y un hueco que se propagan en direcciones opuestas. Estas partículas no pueden entrar en los electrodos superconductores, por lo que se mueven por los bordes (las interfaces entre el superconductor y el grafeno). Además, en cada borde sólo se pueden propagar en una dirección dada, por lo que los electrones y huecos en los estados de Andreev se mueven por sendos bordes opuestos (que están separados entre 2,5 y 4,5 μm, según el dispositivo concreto).

Los estados de Andreev son quirales y se comportan como fermiones de Majorana (aunque aún no se ha demostrado este último detalle, que requerirá usar el efecto Hall cuántico fraccionario). En el circuito de la supercorriente, el electrón (hueco) del estado en el borde se convierte en un hueco (electrón) al rebotar en el superconductor y continúa por el borde del grafeno hasta alcanzar el otro contacto superconductor. Así se forman bucles cerrados de corriente en el circuito que propagan la supercorriente en un nuevo régimen que hasta ahora no se había observado.

Dibujo20160706 Maps of dVdI as a function of dB and VG measured at zero IDC and IDC 3 nA sciencemag org

Esta figura compara el caso superconductor (izquierda) y el no superconductor (derecha). Cuando la corriente supera un valor crítico (IDC = 3 nA en la parte derecha), las características superconductoras periódicas (zona azul oscura en la figura de la izquierda) desaparecen. Este comportamiento es muy diferente al observado en uniones Josephson en aislantes topológicos 2D. En dichos dispositivos los patrones son independientes de la tensión de puerta.

En resumen, gracias al grafeno se ha observado un nuevo régimen de propagación de cuasipartículas en una material con efecto Hall cuántico entre dos contactos superconductores. El resultado es una nanoestructura de grafeno que permite un control sencillo de estas cuasipartículas mediante los voltajes de puerta. No parece que falte mucho tiempo hasta que se logre observar este fenómeno usando el efecto Hall cuántico fraccionario, en el que estas cuasipartículas se comportarán como fermiones de Majorana y se podrán usar en computación cuántica topológica. Quizás no estemos muy lejos de los primeros ordenadores cuánticos que usen fermiones de Majorana (todo ello gracias a las sorprendentes propiedades del grafeno).


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