超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID）的研究一直是量子電子學(xué)領(lǐng)域的基石。這些利用超導(dǎo)體量子力學(xué)特性的器件在從高靈敏度磁力計(jì)到量子計(jì)算中的量子比特開(kāi)發(fā)等應(yīng)用中都至關(guān)重要。SQUID 的一個(gè)關(guān)鍵方面是構(gòu)成器件的約瑟夫森結(jié)的電流-相位關(guān)系（CPR）。傳統(tǒng)上，CPR 主要由 sin(φ) 諧波主導(dǎo)，其中 φ 是兩個(gè)引線(xiàn)之間超導(dǎo)序參數(shù)的相位差。然而，最近的進(jìn)展表明存在更高階的諧波，這可能顯著影響量子電路的設(shè)計(jì)和功能。

背景

在約瑟夫森結(jié)中，CPR 描述了通過(guò)結(jié)的超電流與相位差之間的關(guān)系。這一關(guān)系對(duì)于理解超導(dǎo)電路的行為至關(guān)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(jié)的幾何形狀，可能會(huì)出現(xiàn)偏離這種簡(jiǎn)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(jié)的有前途的候選材料。當(dāng)石墨烯被置于兩個(gè)超導(dǎo)體之間時(shí)，由于其類(lèi)狄拉克電子譜和高載流子遷移率，它可以表現(xiàn)出獨(dú)特的超導(dǎo)特性。這導(dǎo)致了對(duì)基于石墨烯的 SQUID 的探索，其中 CPR 可以通過(guò)外部參數(shù)如柵極電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。

實(shí)驗(yàn)裝置

所討論的實(shí)驗(yàn)涉及一個(gè)具有柵極可調(diào)約瑟夫森結(jié)的基于石墨烯的 SQUID。該器件通過(guò)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(lái)制造。超導(dǎo)接觸使用鈮或鋁等材料制成。然后將整個(gè)結(jié)構(gòu)圖案化以形成 SQUID 環(huán)。

為了測(cè)量 CPR，將器件冷卻到低溫以誘導(dǎo)超導(dǎo)性。向 SQUID 環(huán)施加磁通量，并測(cè)量相位差 φ 的函數(shù)的超電流。通過(guò)仔細(xì)調(diào)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(jié)果

該研究的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是直接測(cè)量了基于石墨烯的 SQUID 中的 sin(2φ) CPR。與傳統(tǒng)的 sin(φ) 關(guān)系不同，sin(2φ) 項(xiàng)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(dǎo)地位的 sin(φ) 分量的影響，這是典型約瑟夫森結(jié)行為的顯著偏離。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，通過(guò)調(diào)節(jié)柵極電壓可以實(shí)現(xiàn) sin(2φ) CPR，這改變了石墨烯的電子特性。這種可調(diào)性是基于石墨烯的器件的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，允許精確控制 CPR。sin(φ) 項(xiàng)的缺失表明結(jié)在高階隧穿過(guò)程占主導(dǎo)地位的狀態(tài)下運(yùn)行。

意義

在基于石墨烯的 SQUID 中發(fā)現(xiàn) sin(2φ) CPR 對(duì)超導(dǎo)電子學(xué)領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)的意義。首先，它為設(shè)計(jì)具有定制特性的量子電路開(kāi)辟了新的可能性。可以利用高階諧波創(chuàng)建對(duì)抗退相干更為穩(wěn)健的量子比特，這是量子計(jì)算中的一個(gè)主要挑戰(zhàn)。此外，通過(guò)柵極電壓調(diào)節(jié) CPR 的能力提供了操縱超導(dǎo)器件中量子態(tài)的多功能工具。

此外，這項(xiàng)工作突顯了石墨烯作為下一代量子技術(shù)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(tái)。

結(jié)論

在石墨烯超導(dǎo)量子干涉器件中直接測(cè)量 sin(2φ) 電流相位關(guān)系代表了量子電子學(xué)領(lǐng)域的重大進(jìn)展。這一發(fā)現(xiàn)不僅挑戰(zhàn)了對(duì)約瑟夫森結(jié)的傳統(tǒng)理解，還為開(kāi)發(fā)性能增強(qiáng)的量子電路開(kāi)辟了新的途徑。隨著該領(lǐng)域研究的繼續(xù)，我們可以期待進(jìn)一步的突破，為實(shí)現(xiàn)實(shí)用的量子技術(shù)鋪平道路。