（a） 我们设备的示意图横截面。GrΔ是BSCCO下的超导石墨烯，Gr′是p掺杂石墨烯，Gr是天然石墨烯。d 是 Gr′ 的长度。Gr′两端的虚线表示接口。（b） 表1中设备A的光学显微照片。S 是 BSCCO 的简写。虚线白色轮廓标记石墨烯。红色X和N1-N5是石墨烯的接触。C1-C4是BSCCO的联系人。比例尺为10μm。学分：物理评论快报（2023 年）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.130.156201
开发新的量子器件依赖于控制电子的行为方式。近年来，一种名为石墨烯的材料，即单层碳原子，一直吸引着研究人员，因为它的电子表现得好像没有质量一样。几十年来，科学家们也对高温超导体感兴趣：电子相互作用产生电子相互配对的宏观量子态的陶瓷材料。它们在高于金属通常超导温度的温度下进行，该温度接近绝对零度。
在最近发表在《物理评论快报》上的一项研究中，来自纽约州立大学理工学院、石溪大学和美国布鲁克海文国家实验室以及芬兰阿尔托大学的研究人员展示了一种新的电子设备，该器件采用了电子在这两种材料中的独特行为方式 – 石墨烯和高温超导体。
该实验由纽约州立大学的Sharadh Jois和Ji Ung Lee领导，并得到了阿尔托助理教授Jose Lado的理论工作的支持，展示了一种结合了石墨烯和非常规高温超导体的新型量子器件。
特别是，该团队证明，石墨烯和高温超导体之间的电子传输是由两种特殊性质的组合产生的独特传输过程主导的：石墨烯的克莱因隧穿和超导体的安德烈耶夫反射。该团队首次通过实验表明，这种运输过程与现有的关于混合Andreev-Klein电子运输的理论预测完全一致。
隧道和反射
该研究依赖于在这些材料中发现的两种独特现象：石墨烯中的克莱因隧穿和非常规高温超导体中的安德烈耶夫反射。因为石墨烯电子的行为就像它们没有质量一样，所以它们可以在正常电子无法移动的情况下移动。这种现象被称为克莱因隧道。
反过来，高温超导体中的电子形成所谓的两个电子的库珀对。库珀对可以具有独特的数学结构，导致非常规超导状态。当库珀对正好在标准材料（如金属片和超导体）的交汇点形成时，它会导致一种称为安德烈耶夫反射的现象，其中该对将另一种粒子“踢回”到金属中。
虽然涉及传统超导体和金属的安德烈耶夫反射是众所周知的，但直到现在还没有证明对石墨烯电子和高温超导体做同样的事情。
石墨烯量子器件的里程碑
“源自石墨烯的克莱因隧穿和非常规超导配对的电子传输的演示为基于石墨烯的量子器件树立了一个里程碑。这一观察结果为开发利用非常规超导性的全新石墨烯超导量子电路系列奠定了起点，“Lado说。
石墨烯独特的电子特性使其成为开发不消耗大量功率的电子产品的有前途的平台。传统超导体是各种量子器件中的关键材料，它们在构建量子比特和拓扑量子计算机的策略之一中尤为重要。通过将两者结合起来，这项研究的结果可以在这些材料中开辟新的基础物理学，并最终为量子技术设备建立一个全新的平台。
More information:
Sharadh Jois et al, Andreev Reflection and Klein Tunneling in High-Temperature Superconductor-Graphene Junctions,
Physical Review Letters (2023)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.156201
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