点接触型平面约瑟夫森结的制备及其电子性质研究

Josephson junction is a dissipationless quantum non-linear system. It is the core of superconducting logic circuits, superconducting radiation detectors and mang other superconducting devices. Along with the development of superconducting electronics industry and the quantum electronic transport reaserch, there is an increasing demand to the atomic scale josephson junction. We plan to fabricate point contact planar josephson junction by combining the advacned electron beam lithography technique with the feed-back controlled electromigration method; and further investigate its transport characteristics. Compared to the tranditional multilayer structured josephson junction, the proposed point contact junction has advantages of small size, being immune to defects in the oxide layer and high sensitivity to detect environmental electromagnetic signals. We will develop the superconducting quantum interference device (SQUID) based on such juncitons. The point contact junction is also a good platform to study Andreev bound state spectroscopy. We plan to study the current-phase relations, current-voltage characteristics and the response to microwave stimulus of such junctions in order to understand the ground state behavior of the Andreev bound state and its excitation spectrum. Our work will pave the way to build a new tupe superconducting qubits based on the Andreev bound states.

约瑟夫森结是一个无耗散的量子非线性系统。它是超导逻辑电路，超导探测器等超导器件的技术核心；也是诸多超导输运现象的研究平台。随着超导电子产业的发展以及量子电子输运研究的不断深入，点接触型平面约瑟夫森结引起了很大的研究兴趣。我们计划结合可控的电致迁移技术与先进的电子束曝光技术，制备出原子尺度的点接触型平面约瑟夫森结，并研究其输运特性。相比于传统的多层膜结构的约瑟夫森结，点接触型平面约瑟夫森结具有尺寸小，无氧化层缺陷，探测外界电磁环境灵敏度高等优势。我们将发展基于此类约瑟夫森结的超导量子干涉器件。同时，该类约瑟夫森结也是Andreev束缚态谱学研究的良好平台。我们计划通过结的电流-相位关系，电压-电流曲线以及微波响应等实验，研究Andreev束缚态的基态与激发谱，为将来基于Andreev束缚态的量子比特研究奠定基础。

约瑟夫森结是超导电子学中的核心器件，同时也是研究新奇物理现象的有力工具。传统的约瑟夫森结多为三层膜组成的三明治结构，在两层超导层之间夹有一层薄的绝缘或者金属层。尽管这种构型的约瑟夫森结已经在超导电子器件研究中得到广泛应用，其依旧存在结区面积过大（大于1平方微米）等问题，限制了超导电子器件的集成度的提升。同时，许多非常规超导材料难以制备这种结构，而这些新材料中蕴含的诸如Majorana 费米子等新物理现象，亟需通过对约瑟夫森结的输运特性的测量加以研究。我们因此提出制备极小平面约瑟夫森结的研究方案。. . 本项目的主要研究内容包含三个方面。一是研究极小平面约瑟夫森结的制备技术，并对其输运特性进行研究。二是研究非常规超导薄膜的生长技术，如掺杂的拓扑超导体，并理解其超导电性的结构起源。三是利用平面约瑟夫森结的二维特性，研究可以对结的电子性质进行有效调控的新方法，探索新原理的超导电子器件。 .. 本项目主要取得了以下研究成果。一是发展了利用微纳加工技术与反馈控制的电迁移技术，制备极小平面约瑟夫森结的方法。我们利用铌膜制备了约瑟夫森结，并展示了利用电迁移技术对结的临界电流进行调制。该方法有望在将来应用到其他超导薄膜材料体系。二是生长了掺杂的硒化铋块材与薄膜，并对其结构与电子结构进行了研究。我们发展了一种新的生长铜掺杂的硒化铋块材的方法，提高了材料的超导体积比。我们对锶掺杂的硒化铋块材与薄膜用高分辨率透射电镜，原子级别元素分析，角分辨光电子能谱等手段进行了研究，结合第一性原理计算，发现材料中超导电性的起源并非如一般认为的那样，来自于范德华间隙中的掺杂原子，而是源于间隙位置的锶原子。这一发现为生长掺杂拓扑超导体薄膜提供了新的思路。三是发展了一种新的栅极调控技术。我们利用固态电解质实现对薄膜样品中载流子浓度的调控，该技术既有传统氧化物电介质栅极具备的固态电子器件优势，又兼具液态电解质栅极的强载流子调控能力。我们以石墨烯样品为模型体系，展示了锂基与钠基固态电解质栅极对石墨烯样品电子性质的调控能力。.. 总的来说，通过本项目的研究，我们掌握了极小平面约瑟夫森结的制备方法，发展了新的具有强大载流子调控能力的电场调控技术，阐明了掺杂拓扑绝缘体中超导电性的结构起源。未来我们将继续研究拓扑超导体薄膜的生长方法，利用本项目中发展的技术制备平面约瑟夫森结并对其进行电场调控。