基于石墨烯/二维超导异质结构器件的量子输运研究

The graphene-superconductor hybrid structures provide an interesting platform to study mesoscopic transport and superconductivity in low-dimensional systems. Graphene exhibits special electronic properties such as a relativistic energy spectrum, strong electron-hole symmetry near the charge neutrality point, and giant intrinsic mobility of carriers. These properties make graphene-superconductor hybrid structures are attractive for fundamental studies of various novel quantum phenomena and exotic devices, which might be a promising building block for solid-state quantum computation. In this project, we will investigate graphene-superconductor heterojunctions in terms of transport experiments at low temperature and high magnetic fields. By improving the homogeneity of the interface of graphene-superconductor heterojunction where the transport is ballistic and phase coherent, we are able to probe quantum transport effects in multi-termial hybrid graphene-superconductor devices. The high-quality interface between graphene and a two-dimensional superconductor give us the ability to study the special properties of electrons inside graphene nanostructures, including specular Andreev reflection，scattering mechanism, and the coexistence of quantum Hall states and superconductivity. These studies will open a route towards applications, such as the design of new topological quantum devices and superconducting nanoelectronics based on graphene-superconductor heterojunctions.

石墨烯与超导材料的复合体系是研究介观输运和低维超导特性的一个重要结构。由于石墨烯独特的能带结构，使得石墨烯超导复合器件的输运特性和散射过程呈现出丰富的物理现象，使其成为探索新物性，研制新型量子器件的理想体系。本项目拟在我们近期开展的石墨烯介观输运和二维超导特性研究的基础上，以石墨烯与二维超导材料的异质结构器件为研究对象，探索石墨烯与二维超导材料的界面调控方案，深入理解介观尺度下石墨烯超导界面的散射机制和量子输运过程；结合极低温和强磁场的测量环境，研究石墨烯量子霍耳态与超导共存区的输运现象。通过对石墨烯超导异质结构器件量子输运特性的深入研究，为进一步研制基于石墨烯的拓扑量子和新型超导电子器件探索新原理和新方法。

石墨烯超导复合器件是研究介观输运和低维超导特性的重要低维结构。本项目中我们研究了高质量石墨烯超导异质器件及低维超导体系的输运特性。这些异质结具有均匀的晶格取向和强的界面耦合，与传统堆叠实现范德瓦尔斯结构器件的方案相比，这样的直接生长异质结就有干净的界面，提供了一个理想的平台研究界面散射及其相关输运现象。本项目的目标是发展和建立基于石墨烯超导复合结构器件的微纳加工工艺和低温下的输运测量和调控技术。本项目的研究人员带领研究生刻苦攻关，基本完成了项目计划书中所列出的主要任务，获得国际前沿水平的结果。例如，成功研制出石墨烯/二维超导异质结构交叉器件，通过异质结引入有效散射势垒，在低温低磁场条件下我们观察到特征几何共振现象；实现石墨烯与氮化硼的叠层器件, 观察到引入周期势垒形成的特征霍夫斯塔特蝴蝶图样；我们通过细致研究得到二维碳化钼体系的特征相图，揭示了畴区结构引入的一维涡旋态；基于二维半导体纳米片的超导复合器件，实现近邻效应诱导的超导电性和量子霍尔态的共存；通过对磁性掺杂二维超导体系的输运研究，我们观察到磁性掺杂对超导的逐渐压制，发展出特征的近藤效应，揭示了二维体系下超导态与磁性电子态的关联现象。总之，通过本项目的实施，我们成功发展了高质量石墨烯超导复合器件的制备和测量技术。我们的研究直接生长异质结为探索狄拉克电子与超导的相互作用提供了一个理想体系。