Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Superstroom in grafeen gaat uit zijn dak

Wetenschappers van de TU Delft en de Universiteit Leiden hebben superstromen geobserveerd in grafeen die heen en weer kaatsen tussen de randen van het grafeen zonder verstrooiing onderweg.

Superstromen zijn elektrische stromen die lopen zonder elektrische spanning aan te bieden. Ze kunnen in grafeen geïnduceerd worden door het grafeen in contact te brengen met een supergeleidend materiaal. Met deze hybride ballistische supergeleider-grafeen devices wordt het mogelijk om de unieke eigenschappen van superstromen gedragen door relativistische deeltjes te bestuderen in een onontgonnen regime. De resultaten zijn gepubliceerd in het vakblad Nature Nanotechnology.

Een grafeen-boornitride sandwich met supergeleidende contacten gemaakt van molybdenum rhenium (MoRe)

Ultra-schoon grafeen

Grafeen van hoge kwaliteit is cruciaal voor het functioneren van dergelijke devices. Grafeen is maar één atoom dik en erg gevoelig voor vervuiling aan het oppervlak. Tijdens typische nanofabricage processen wordt het grafeen blootgesteld aan diverse polymeren en chemicaliën, die makkelijk aan het grafeen blijven hangen en het daarmee vervuilen. Daardoor gaat de elektronische kwaliteit van het grafeen achteruit.

Om dit te voorkomen, pakken de onderzoekers het grafeen in tussen twee dunne laagjes boornitride – een isolator die perfect glad is. Door deze sandwich techniek wordt het grafeen afgeschermd van de buitenwereld en blijft het netjes intact. Daarna worden de laagjes in de gewenste vorm gesneden en wordt het grafeen langs de zijkant gecontacteerd met een supergeleidend materiaal.

Een spiegel voor elektronen golven

Periodieke oscillaties in de superstroom door de interferentie van elektronengolven.

Wanneer licht tussen twee spiegels heen en weer kaatst, ontstaan maxima en minima in de lichtintensiteit door interferentie. Op een analoge manier zagen de wetenschappers een interferentie patroon doordat elektronen golven in grafeen heen en weer gereflecteerd werden bij de contacten met de supergeleider.

Een dergelijk interferentie patroon is enkel zichtbaar in de extreem schoon grafeen, wat zich ballistisch gedraagt, wat betekent dat elektronen niet alle kanten op gaan door verstrooiing aan defecten en onzuiverheden. Wanneer het grafeen supergeleidend wordt, is dit effect zichtbaar als een oscillatie van de maximale superstromen. Dit is de eerste directe observatie van ballistische interferende superstromen in een tweedimensionaal systeem.