[Jan 30, 2015] 이후종, 지승훈 교수 연구실 - Ultimately short ballistic vertical graphene Josephson junctions

[Jan 30, 2015] 이후종, 지승훈 교수 연구실 - Ultimately short ballistic vertical graphene Josephson junctions

Nature Communications doi:10.1038/ncomms7181

[그림. 관측에 사용된 수직형 조셉슨접합 구조]

 두 개의 초전도체 전극 사이에 얇은 보통도체층을 끼워 넣은 소자를 조셉슨접합이라 하는데, 접합을 통해 전기저항 없이 초전류가 흐를 수 있으며 양자 간섭현상도 나타난다. 이런 이유로 조셉슨접합은 양자컴퓨터, 양자간섭소자, 표준접압소자, 초고주파발진소자 등의 연구에 폭넓게 활용되고 있다. 보통도체층의 두께가 아주 얇아지면 양자 결맞음이 강한 소위 “초단간극 탄도성” 조셉슨접합이 만들어지는데, 이는 이론적으로만 예측되었을 뿐 수 십 년 동안 많은 연구에도 불구하고 실현되지 못 했었다. 이는 고순도의 금속 삽입층을 원자 단위로 얇게 만드는 것이 극히 어렵기 때문이었다.

 양자전도초전도 연구실 (이길호박사/이후종교수)에서는 탄소 원자 하나의 두께를 가지는 그래핀을 두 초전도 전극 사이에 끼워 넣은 수직형태의 초단간극 탄도성 조셉슨접합을 세계 최초로 실현하였으며, 나노물성이론연구실 (김솔/지승훈교수)에서는 이 소자에서 그래핀이 조셉슨접합을 형성하는 데 적절한 포텐셜 장벽을 제공함을 이론적으로 입증하였다. 본 연구에서는 초단간극 탄도성 조셉슨접합에 합당한 이론적 전류 한계치를 구현함과 동시에 이론적으로 예측된 전류-위상 특성이 극명하게 나타남을 보였다. 이 연구는 앞으로 원자단위의 소자구조 제어와 다양한 그래핀-초전도 양자소자 개발에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다. 연구 결과는 네이처 컴뮤니케이션 저널 1월 30일자에 게재되었다.

Much efforts have been made for the realization of hybrid Josephson junctions incorporating various materials for the fundamental studies of exotic physical phenomena as well as the applications to superconducting quantum devices. Nonetheless, the efforts have been hindered by the diffusive nature of the conducting channels and interfaces. To overcome the obstacles, we vertically sandwiched a cleaved graphene monoatomic layer as the normal-conducting spacer between superconducting electrodes. The atomically thin single-crystalline graphene layer serves as an ultimately short conducting channel, with highly transparent interfaces with superconductors. In particular, we show the strong Josephson coupling reaching the theoretical limit, the convex-shaped temperature dependence of the Josephson critical current and the exceptionally skewed phase dependence of the Josephson current; all demonstrate the bona fide short and ballistic Josephson nature. This vertical stacking scheme for extremely thin transparent spacers would open a new pathway for exploring the exotic coherence phenomena occurring on an atomic scale.