Leidse natuurkundigen en internationale collega's uit Genève en Barcelona hebben het mechanisme bevestigd dat magische hoekgrafeen supergeleidend maakt. Dit is een belangrijke stap in het ophelderen van supergeleiding bij hoge temperaturen, een decennia oud mysterie dat centraal staat in de natuurkunde, die tot technologische doorbraken kunnen leiden.

Magische hoekmaterialen vormen een verrassende recente natuurkundige ontdekking. "Je neemt een vel grafeen, " zegt Sense Jan van der Molen, verwijzend naar het tweedimensionale materiaal gemaakt van koolstofatomen in een zeshoekig patroon, " dan leg je er nog een laag op en draai je die laatste 1 graad. Zo, je krijgt ineens een supergeleider."

Bij een temperatuur van 1,7 Kelvin, gedraaid dubbellaags grafeen (tbg) geleidt elektriciteit zonder weerstand. Nutsvoorzieningen, Van der Molen, zijn Leidse collega Milan Allan en internationale collega's hebben eindelijk het mechanisme achter deze fascinerende nieuwe supergeleiders bevestigd.

In het journaal Natuurfysica , ze laten zien dat de lichte draaiing in grafeen ervoor zorgt dat de elektronen voldoende vertragen om elkaar te voelen. Hierdoor kunnen ze de elektronenparen vormen die nodig zijn voor supergeleiding.

Moiré patronen

Hoe kan zo'n kleine draai zo'n groot verschil maken? Dit hangt samen met moirépatronen, een fenomeen dat in de dagelijkse wereld wordt gezien. Bijvoorbeeld, wanneer twee kippengaashekken voor elkaar staan, men observeert extra donkere en lichte vlekken, veroorzaakt door de wisselende overlap tussen de patronen. Zulke moirépatronen (van het franse moirer, kreuken) verschijnen over het algemeen waar periodieke structuren elkaar onvolmaakt overlappen.

Gedraaid dubbellaags grafeen is precies zo'n situatie:het samenspel tussen de twee hexagonale koolstofroosters, licht gedraaid, veroorzaakt een veel groter hexagonaal moirépatroon. Door deze nieuwe periodiciteit te creëren, de interactie tussen de elektronen verandert, waardoor deze "trage" elektronen. In tal van kranten, duidelijke tekenen van de supergeleiding zijn gemeten, maar de tussenstap van langzame elektronen was veel moeilijker vast te stellen.

Op zoek naar patches

"Je moet goede monsters hebben, Van der Molen verklaart het succes. Gelukkig de co-auteurs uit Barcelona staan ​​erom bekend kwalitatief hoogwaardige samples te maken. "Volgende, je moet precies weten waar je moet kijken." Zelfs in een goed voorbeeld, de juiste draaihoek wordt alleen bereikt in kleine stukjes dubbellaags grafeen.

Van der Molens Low-Energy Electron Microscope (LEEM) en Allans Scanning Tunneling Microscope (STM) hielpen precies die patches te vinden.

Vervolgens, een groep in Genève gebruikte nano-ARPES, een beeldvormende techniek, om de vertraging van de elektronen aan te tonen. Allan:"Veel groepen hebben daar hard voor gewerkt. Slechts één andere groep slaagde, en ze hebben een parallelle publicatie."

Overgevoelige detectoren

Het ophelderen en vervolgens optimaliseren van dit soort supergeleiding kan ook leiden tot tal van technologische toepassingen, variërend van verliesloos energietransport tot overgevoelige lichtdetectoren.

In feite, Michiel de Dood, ook in Leiden, is nu pionier in dergelijke detectoren. Van der Molen:"Het is fundamenteel werk, maar we houden ook onze ogen open voor sollicitaties."