[이후종/이현우교수 연구실] 그래핀 안드레브간섭계에서 쌍결맞음 국재성 전이 관측, Scientific Reports (2015…

초전도체(N)와 일반도체(S)가 접합을 이루면 일반도체는 접합면 근처의 일정 범위 (초전도 위상결맞음 거리; x) 내에서 초전도성을 가지는 근접효과를 나타낸다. 이는 일반도체에서 초전도체 계면으로 입사한 전자가 페르미준위 아래에 있는 위상이 서로 결맞는 다른 전자와 쿠퍼쌍을 이뤄 초전도체로 입사하고 정공(홀)이 되반사 되는 안드레브 반사가 일어나 전도도가 증가하기 때문이다. 길이(L)가 x보다 훨씬 짧은 일반도체가 두 초전도 전극 사이에 삽입된 경우에는 위상결맞음이 강하게 중첩되어 접합에 초전류가 흐르는 조셉슨접합이 만들어지며, 이에 대한 많은 연구가 이루어져 왔다. 이제 L이 늘어나 근접효과가 약화되면 초전류는 흐르지 못 하더라도 전도에서 전자-홀 결맞음성은 그대로 유지되는 안드레브 간섭계(Andreev interferometer; AI)가 형성된다. 이 때, L~x/2의 조건에서는 AI에 형성된 두 NS 계면의 마주보는 위치에서 반사된 전자가 간섭을 일으키나 [국재성(local) 결맞음], L>x의 조건에서는 두 NS 계면의 임의의 모든 위치에서 안드레브 반사된 전자의 부분파가 중첩되어 간섭을 일으킨다 [비국재성(nonlocal) 결맞음].

본 연구에서는 두 초전도 전극 사이에 일반도체로서 그래핀을 삽입하고 백게이트(back gate)를 걸어 그래핀의 전자밀도와 그에 따른 x 값을 임의로 조절하여 그래핀 AI에서 L과 x의 상대적인 크기를 변화시켰다. 이 때, AI 접합부의 위상결맞음 범위에 걸쳐 걸리는 자속(magnetic flux)에 따라 양자자속 값을 주기로 해서 진동하는 자기전도가 나타나며, 백게이트 전위에 따른 그 진동주기를 관측하여 쌍결맞음 (pair coherence)의 국재성과 비국재성 사이의 가역적 전이 현상을 최초로 확인하였다. 본 연구는 에너지 간극이 없는 디락분산관계와 백게이팅으로 쉽게 전자밀도를 변화시킬 수 있는 그래핀의 장점을 십분 활용한 것으로, 한 접합에서 게이팅만으로 실현한 쌍결맞음 국재성의 가역적 전이와 함께, AI를 이용하여 그래핀의 쌍결맞음 특성에 대해 심도 있는 연구를 수행했다는 의미가 있다. 본 연구는 양자전도초전도연구실의 김민수(박사과정)에 의해 주도적으로 이루어졌으며, Scientific Reports(DOI: 10.1038/srep08715)에 게재되었다.