Universiteit Leiden

nl en

Verdraaide supergeleider eindelijk begrepen

Leidse natuurkundigen en internationale collega's in Genève en Barcelona hebben het mechanisme bevestigd waardoor magic-angle grafeen supergeleidend wordt. Dit is een flinke stap naar het ophelderen van het mechanisme achter hoge-temperatuur-supergeleiding, een decennia oud mysterie voor natuurkundigen, met de belofte van technologische doorbraken.

De ontdekking van magic-angle-materialen was een grote verrassing in de natuurkunde. 'Je neemt een vel grafeen', zegt onderzoeker Sense Jan van der Molen, verwijzend naar het tweedimensionale molecuul gemaakt van koolstofatomen in een zeshoekspatroon. 'Dan leg je er nog een vel grafeen op en draait dat met 1 graad. En dan heb je opeens een supergeleider!'

Dat wil zeggen: bij een ultralage temperatuur van 1,7 Kelvin geleidt dit zogeheten twisted bilayer graphene elektriciteit zonder weerstand. Nu hebben Leidse natuurkundigen van de groepen van Van der Molen en Milan Allan, samen met internationale collega's, eindelijk het mechanisme bevestigd achter deze nieuwe klasse van supergeleiders.

In het vakblad Nature Physics laten ze zien dat de kleine verdraaiing elektronen afremt, zodat ze traag genoeg bewegen om elkaars invloed te voelen. Daardoor kunnen ze de elektronenparen vormen die nodig zijn voor supergeleiding.

Schematische weergave van het monster

Moiré-patronen

Hoe kan zo'n kleine ingreep zo'n verschil maken? Dit heeft te maken met moiré-patronen, die ook in de alledaagse wereld vaak te zien zijn. Zo kunnen er heldere en donkere vlekken opduiken als twee kippengaashekken achter elkaar staan, een illusie veroorzaakt door variatie in de overlap tussen de twee lagen kippengaas. Zulke moiré-patronen (van het Franse moirer, 'plooien') treden op als periodieke structuren elkaar net niet volmaakt overlappen.

Twisted bilayer graphene is zo'n situatie: de interactie tussen de twee zeshoekspatronen, met een kleine draaiing, veroorzaakt een veel grootschaliger zeshoekig moiré-patroon. Door deze nieuwe regelmaat, op een grotere schaal, verandert de interactie tussen elektronen, waardoor ze trager bewegen. In veel publicaties is de supergeleiding wel beschreven, maar de tussenliggende stap waarbij elektronen trager bewegen, is veel lastiger te bevestigen.

LEEM-afbeelding van het dubbellaags-grafeen. De driehoekjes rechts wijzen op een gebiedje met een lage draaiingshoek.

Landkaart

'Daarvoor heb je goede monsters nodig', legt Van der Molen het succes uit. 'Gelukkig staan onze co-auteurs uit Barcelona bekend om de hoge kwaliteit van hun monsters. Vervolgens moet je precies weten waar je moet kijken.' Zelfs in een heel goed monster is de juiste draaiingshoek namelijk alleen te vinden in kleine gebiedjes op het dubbellaags-grafeen.

Met Van der Molens Low-Energy Electron Microscope (LEEM) en Milan Allans Scanning Tunneling Microscope (STM) waren deze zeldzame gebiedjes te localiseren, waarna een groep in Geneva de afbeeldingstechniek nano-ARPES gebruikte, waarmee het afremmen van de elektronen aangetoond kon worden. Milan Allan: 'Heel veel groepen hebben dat geprobeerd. Er is nog één groep die het gelukt is, en die hebben dan ook een parallelpublicatie in Nature Physics.'

Gevoelige lichtdetectoren

Het ophelderen en vervolgens verbeteren van dit type supergeleiding zou kunnen leiden tot verschillende toepassingen, variërend van energietransport zonder verliezen tot extreem gevoelige lichtdetectoren.

Inmiddels werkt Leids natuurkundige Michiel de Dood aan zulke lichtdetectoren. Van der Molen: 'Dit is fundamenteel onderzoek, maar we houden onze ogen ook open voor toepassingen.'

Publicatie

Simone Lisi et al, 'Direct evidence for flat bands in twisted bilayer graphene from nano-ARPES', Nature Physics, 28 september 2020

Tekst: Bruno van Wayenburg

Deze video kan niet worden getoond omdat u geen cookies heeft geaccepteerd.

Verlaat onze website om deze video te bekijken.
Deze website maakt gebruik van cookies.  Meer informatie.