Mikrowellenspektroskopie an Josephson-Kontakten hergestellt aus hybriden Einzel-, Bi- und Tri-Lagen-Graphen [MEGA-JJ]

• Antragsteller: Professor Dr. Robert H. Blick
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460755959

In den letzten Jahren hat sich Graphen zu einem der am besten charakterisierten Dirac-Materialien entwickelt und wird daher in den neuen Lehrbüchern der Festkörperphysik einen festen Platz einnehmen. Nichtsdestotrotz zeigt die erst kürzlich erfolgte Entdeckung von Supraleitung in Bi-Lagen Graphen (BLG), dass dieses Material uns immer noch überraschen kann. Hierzu wird das BLG als ein Moiré-Gitter unter einem ‚magischen Winkel’ von 1,1o angeordnet, um so Supraleitung bei tiefen Temperaturen zu erhalten. Die Frage der wir in diesem Antrag nachgehen wollen ist, inwiefern zunächst Graphen mit supraleitenden Kontakten und anschließend supraleitendes BLG als Mikrowellenbauteile genutzt werden können. Um diesen Ansatz zu verfolgen gibt es naturgemäß verschiedene Vorgehensweisen. Wir wollen hierbei den Ansatz wählen sog. Josephson Kontakte (Josephson Junctions, JJs) zu verwenden, da diese eine zentrale Komponente in der Herstellung von supraleitenden Schaltkreisen sind. Da Einzellagengraphen selbst nicht supraleitend ist, werden wir den Proximity-Effekt mit supraleitenden Kontakten ausnutzen, um so JJs herzustellen. Damit können wir die Grundlagen der Anwendung von Graphen-JJ (GJJ) Kontakten testen, d.h. die Herstellung von Mikrowellendetektoren, heterodynen Mischern und elementaren Schaltkreisen für Quanten-Recheneinheiten. Es ist hier zu betonen, dass die wesentlich neue Eigenschaft der GJJs der Dirac’sche Charakter der Ladungsträger ist, d.h. eine lineare Dispersion vorhanden ist und Detektoren damit breitbandig arbeiten sollten, weiterhin weisen sie eine Singularität in der Zustandsdichte am Ladungsneutralitätspunkt auf, eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit und gestatten eine einfache Variation der Ladungsträgerdichten. All das verspricht die Einzel-Photon-Detektion im Quantenlimes. Zudem wollen wir auch die Supraleitung in BLG verwenden, um vollkommen neuartige JJs herzustellen. Wir erwarten uns hier Signaturen in Form von Shapiro-Stufen in den IV-Kennlinien, die uns dazu dienen werden den Charakter der Supraleitung in diesem sog. twisted BLG (im Antrag als TBG abgekürzt) zu bestimmen und daraus die Anwendbarkeit in Mikrowellenschaltkreisen abzuleiten. Die Integration einer JJ in das supraleitende TBG wird uns damit gestatten einen fundamental neuen Mirkowellendetektor zu realisieren, der das Potential in sich birgt ganze Schaltkreise zu realisieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen