Ballistic transport in graphene nanodevices with superconducting leads

The investigation of novel topological states of matter is one of the most vibrant fields in condensed matter physics. New phenomena are continuously discovered and topological materials are bound to be employed in new generations of electronic devices and in future quantum computers. In this context the combination of superconductivity and the quantum Hall effect is expected to create exotic quantum states of matter and new types of topological excitations. Even if the coexistence of these two effects was predicted more than 20 years ago, experimental difficulties must be solved in order to observe clear supercurrent in the quantum Hall regime. Firstly, the quantum Hall effect requires high-mobility two-dimensional electronic systems subjected to high magnetic fields, whereas, superconductivity tends to be destroyed by such high magnetic fields. For this reason, high-critical field superconductors are required. Secondly, even though the quantum Hall effect has long been observed in semiconductors such as in GaAs or Si, inducing supercurrent in these materials is experimentally challenging due to the difficulties in fabricating good electrical contacts and accessing the interface. In recent studies, it has been proven that superconductivity can be induced in graphene through the so-called proximity effect. In this context, graphene is a good candidate for substituting semiconductor heterostructures in order to study superconductivity in the quantum Hall regime. Graphene is simple to access thanks to its 2D nature and makes low ohmic contacts with high-critical-field superconductors. The goal of this thesis is to investigate superconducting proximity effect in superconductor-graphene-superconductor (S-G-S) junctions for different ranges of the magnetic field. In particular, chemical vapor deposited (CVD) graphene transferred by using a contamination-free dry transfer process is used in order to fabricate high quality graphene samples encapsulated in hexagonal boron nitride (hBN). In these high-quality devices, the quantum Hall regime can be accessed at relatively low magnetic fields. Furthermore, ballistic transport in combination with superconductivity can be explored. In the first chapter the main electronic properties of graphene will be presented. After that superconductivity proximity effect, Josephson effect and Andreev reflection will be quickly reviewed. The second part of the thesis, will focus on the experiment. In particular, chapter three illustrates all the steps of the sample fabrication, from the growth of the CVD graphene to the dry transfer process and the fabrication of the molybdenum-rhenium-graphene S-G-S junctions. In chapter four the measurement setup and the dilution refrigerator technique are presented. Finally in chapter five the measurement results are shown.

La ricerca di nuove fasi topologiche della materia nel campo della fisica della materia condensata è un tema che apre interessanti prospettive e consentirà di utilizzare materiali topologici innovativi nelle future generazioni di dispositivi elettronici e nei calcolatori quantistici. In tale contesto, la coesistenza della superconduttività con l'effetto quantum Hall può creare stati esotici della materia e nuove tipologie di eccitazioni topologiche. Sebbene tale coesistenza sia stata teorizzata più di 20 anni fa, si rilevano difficoltà sperimentali nell'osservare supercorrenti nel regime di quantum Hall. In primo luogo, l'effetto quantum Hall richiede sistemi elettronici bidimensionali ad alta mobilità, soggetti a campi magnetici elevati, mentre, la superconduttività tende ad essere distrutta da tali campi magnetici elevati. Per questo motivo, sono necessari superconduttori con un campo magnetico critico alto. In secondo luogo, sebbene l'effetto quantum Hall sia stato a lungo osservato nei semiconduttori quali GaAs o Si, l'osservazione della supercorrente in questi materiali è sperimentalmente limitata dalle difficoltà nella fabbricazione di buoni contatti elettrici e nell'accesso alla loro interfaccia. In studi recenti, è stato dimostrato che la superconduttività può essere indotta nel grafene attraverso il cosiddetto superconducting proximity-effect. In questo contesto, il grafene è un buon candidato per sostituire le eterostrutture di semiconduttori al fine di studiare la superconduttività nel regime di quantum Hall. Il grafene offre infatti la possibilità di ottenere contatti ohmici di buona qualità con i superconduttori. Inoltre, grazie alla sua natura bidimensionale, consente di accedere direttamente alla sua superficie. Lo scopo di questa tesi è di studiare il superconducting proximity effect in diversi intervalli di campi magnetici in giunzioni formate da superconduttore-grafene-superconduttore (S-G-S). In particolare, al fine di fabbricare dispositivi di alta qualità, è stato utilizzato del grafene cresciuto con la tecnica chemical vapor deposition (CVD) e incapsulato in nitruro di boro esagonale (hBN) per mezzo di un processo di trasferimento dry e privo di contaminazioni d'agenti chimici. L'alta mobilità del grafene permette di entrare con campi magnetici bassi nel regime di quantum Hall. Nel primo capitolo saranno presentate le principali proprietà elettroniche del grafene. Poi saranno illustrati superconduting proximity effect, Josephson effect e Andreev reflection. La seconda parte di questa tesi, si focalizzerà sulla fabbricazione dei dispositivi e sui risultati sperimentali ottenuti. Più specificamente il capitolo tre illlustra tutte le fasi di fabbricazione del campione, dalla crescita del grafene con metodo CVD e il processo dry-transfer, alla fabbricazione delle giunzioni S-G-S. Il capitolo quarto, invece, riguarda il setup sperimentale e la tecnica di refrigerazione a diluizione utilizzata per raggiungere le necessarie temperature criogeniche. Infine, il quinto capitolo si concentrerà sui risultati ottenuti dalle misurazioni. In particolare, saranno illustrati gli effetti dovuti all'interazione tra il superconducting proximity-effect e il trasporto ballistico in relazione ai diversi intervalli di campi magnetici applicati.