De ontwikkeling van hogetemperatuursupergeleiders (afb: WikiMedia Commons)

Vorig jaar werd gemeld dat tweelaags grafeen supergeleidend wordt bij 1,7 K (-271,3°C). Dat is opmerkelijk, maar weinig praktisch. Grafeen is wel een mooi materiaal om het nog steeds niet begrepen fenomeen van de weerstandsloze geleiding te doorgronden. Nu blijkt dat ook drielaags grafeen supergeleiding vertoont en de onderzoekers hebben hoop daarmee de geheimen van dit verschijnsel te kunnen ontrafelen. Er zijn tegenwoordig zogeheten hogetemperatuursupergeleiders die die eigenschappen vertonen bij veel hogere temperaturen (altijd nog zo’n -100°C), maar met een dieper inzicht in het fenomeen zou wel eens de droom van een supergeleider bij kamertemperatuur kunnen uitkomen. Nu zijn die hoge(re) temperaturen alleen mogelijk onder weinig praktische omstandigheden.

Natuurlijk zijn de onderzoekers in het veld zoals Cory Dean van de Columbia-universiteit (NY) weer heel opgewonden. De twee lagen in supergeleidend grafeen moeten voor het effect wel wat (1,1°) verdraaid zijn ten opzichte elkaar om het effect te bewerkstelligen. “Zit je daar een beetje naast dan werkt het niet.” Dat hoeft in de drielaagssupergeleider niet. De atoomstructuur liggen uitgelijnd boven elkaar nedt als bij meerlaags grafeen.
Grafeen wordt gefabriceerd door met een stuk plakband een laag van grafiet te plukken. Sommige van die lagen bestaan uit meer grafeenlagen, sommige uit een. De onderzoekers rond Feng Wang van de universiteit van Californië in Berkeley gebruikten drielaags grafeen om elektrische componenten te maken (grafeen is beloftevol op velerlei terrein). Ze plakten drielaags grafeen tussen laagjes boornitride wat grafeen beschermt tegen vervuiling en vervorming.
Op sommige plaatsen lopen boornitridemoleculen en de koolstofatomen ‘in de pas’ op andere plaatsen helemaal niet. Er is een periodiciteit (wel of niet) van zo’n 10 nm waardoor je een soort moiré-effect krijgt net zoals bij tweelaags grafeen. Elke ‘morié-cel’ kan vier extra elektronen bevatten en samen met de andere in het materiaal verandert dat de geleidbaarheid.

Vervolgens plakten de onderzoekers daar nog metalen tegen aan en bouwden zo transistoren met poorten die de toevoeging van elektronen in het materiaal kunnen sturen. Door het elektrische veld over deze poorten te manipuleren konden de onderzoekers heel nauwkeurig elektronen toevoegen aan elke individuele ‘moiré-cel’. Bij drie extra elektronen per cel waarbij de temperatuur onder de 2 K dook (-271°C) werd het grafeen (bijna) supergeleidend. Als ze extern magneetveld aanlegden verdween dat beetje weerstand (bijna).

Niet definitief

Het lijkt op supergeleiding, maar die signalen zijn volgens de onderzoekers nog niet definitief. De weerstand zakt niet helemaal naar 0. Volgens medeonderzoeker David Goldhaber-Gordon is dat een gevolg van onzuiverheden in het grafeen. “Het zou dan niet overal supergeleidend zijn.” Toch denkt hij dat de toevoeging van drie elektronen leidt tot een verschijnsel dat je ook ziet in de hogetemperatuursupergeleiders die in 1986 zijn ontdekt door IBM-onderzoekers Bednorz en Müller.

Dean denkt dat het drielaags grafeen dan ook een goed model is voor die categorie en waarmee een nog steeds schrijpend mysterie kan worden opgehelderd. “Drielaags grafeen is zo’n schoon systeem dat een simpele mogelijkheid biedt ingewikkelde natuurkunde te onderzoeken.”

Bron: Nature