超导电路的非线性：超越传统约瑟夫森结的高阶谐波行为

超导量子干涉器件（SQUID）的研究一直是量子电子学领域的基石。这些利用超导体量子力学特性的器件在从高灵敏度磁力计到量子计算中的量子比特开发等应用中都至关重要。SQUID 的一个关键方面是构成器件的约瑟夫森结的电流-相位关系（CPR）。传统上，CPR 主要由 sin(φ) 谐波主导，其中 φ 是两个引线之间超导序参数的相位差。然而，最近的进展表明存在更高阶的谐波，这可能显著影响量子电路的设计和功能。

背景

在约瑟夫森结中，CPR 描述了通过结的超电流与相位差之间的关系。这一关系对于理解超导电路的行为至关重要。传统的 CPR 由 I=I_c sin(φ) 给出，其中 I_c 是临界电流。然而，由于各种因素，包括材料特性和结的几何形状，可能会出现偏离这种简单形式的情况。

石墨烯是一种具有卓越电子特性的二维材料，已成为创建新型约瑟夫森结的有前途的候选材料。当石墨烯被置于两个超导体之间时，由于其类狄拉克电子谱和高载流子迁移率，它可以表现出独特的超导特性。这导致了对基于石墨烯的 SQUID 的探索，其中 CPR 可以通过外部参数如栅极电压进行调节。

实验装置

所讨论的实验涉及一个具有栅极可调约瑟夫森结的基于石墨烯的 SQUID。该器件通过将石墨烯片放置在六方氮化硼（hBN）基板上，然后用另一层 hBN 包裹来制造。超导接触使用铌或铝等材料制成。然后将整个结构图案化以形成 SQUID 环。

为了测量 CPR，将器件冷却到低温以诱导超导性。向 SQUID 环施加磁通量，并测量相位差 φ 的函数的超电流。通过仔细调节栅极电压，研究人员可以控制石墨烯中的载流子密度，从而修改 CPR。

结果

该研究的关键发现是直接测量了基于石墨烯的 SQUID 中的 sin(2φ) CPR。与传统的 sin(φ) 关系不同，sin(2φ) 项表明超电流取决于两倍的相位差。这种高阶谐波不受传统上占主导地位的 sin(φ) 分量的影响，这是典型约瑟夫森结行为的显著偏离。

实验数据表明，通过调节栅极电压可以实现 sin(2φ) CPR，这改变了石墨烯的电子特性。这种可调性是基于石墨烯的器件的独特优势，允许精确控制 CPR。sin(φ) 项的缺失表明结在高阶隧穿过程占主导地位的状态下运行。

意义

在基于石墨烯的 SQUID 中发现 sin(2φ) CPR 对超导电子学领域具有深远的意义。首先，它为设计具有定制特性的量子电路开辟了新的可能性。可以利用高阶谐波创建对抗退相干更为稳健的量子比特，这是量子计算中的一个主要挑战。此外，通过栅极电压调节 CPR 的能力提供了操纵超导器件中量子态的多功能工具。

此外，这项工作突显了石墨烯作为下一代量子技术材料的潜力。其卓越的电子特性，加上与其他二维材料集成的能力，使其成为探索新型量子现象的有吸引力的平台。

结论

在石墨烯超导量子干涉器件中直接测量 sin(2φ) 电流相位关系代表了量子电子学领域的重大进展。这一发现不仅挑战了对约瑟夫森结的传统理解，还为开发性能增强的量子电路开辟了新的途径。随着该领域研究的继续，我们可以期待进一步的突破，为实现实用的量子技术铺平道路。