Diamanten hebben een vaste voet aan de grond in ons lexicon. Hun vele eigenschappen dienen vaak als superlatieven voor kwaliteit, helderheid en hardheid. Afgezien van de populariteit van dit zeldzame materiaal in sier- en decoratief gebruik, deze edelstenen worden ook zeer gewaardeerd in de industrie, waar ze worden gebruikt om andere harde materialen te snijden en te polijsten en om stralingsdetectoren te bouwen.

Meer dan een decennium geleden, er werd een nieuwe eigenschap ontdekt in diamanten toen er hoge concentraties boor aan werden toegevoegd:supergeleiding. Supergeleiding treedt op wanneer twee elektronen met tegengestelde spin een paar vormen (een Cooper-paar genoemd), waardoor de elektrische weerstand van het materiaal nul is. Dit betekent dat er een grote superstroom in het materiaal kan stromen, wat het potentieel voor geavanceerde technologische toepassingen met zich meebrengt. Nog, Sindsdien is er weinig werk verzet om de aard van de supergeleiding van een diamant en dus de mogelijke toepassingen ervan te onderzoeken en te karakteriseren.

Nieuw onderzoek onder leiding van professor Somnath Bhattacharyya in het Nano-Scale Transport Physics Laboratory (NSTPL) in de School of Physics van de University of the Witwatersrand in Johannesburg, Zuid-Afrika, beschrijft het fenomeen van wat "triplet supergeleiding" in diamant wordt genoemd. Triplet-supergeleiding treedt op wanneer elektronen in een samengestelde spintoestand bewegen in plaats van als een enkel paar. Dit is een uiterst zeldzame, maar efficiënte vorm van supergeleiding waarvan tot nu toe alleen bekend was dat deze in een of twee andere materialen voorkomt, en alleen theoretisch in diamanten.

"In een conventioneel supergeleidend materiaal zoals aluminium, supergeleiding wordt vernietigd door magnetische velden en magnetische onzuiverheden, triplet-supergeleiding in een diamant kan echter bestaan, zelfs in combinatie met magnetische materialen. Dit leidt tot een efficiëntere en multifunctionele werking van het materiaal, " legt Bhattacharyya uit.

Het werk van het team is onlangs gepubliceerd in een artikel in de Nieuw tijdschrift voor natuurkunde , getiteld "Effecten van Rashba-spin-orbit-koppeling op supergeleidende met boor gedoteerde nanokristallijne diamantfilms:bewijs van interfaciale triplet-supergeleiding." Dit onderzoek is gedaan in samenwerking met de Universiteit van Oxford (VK) en Diamond Light Source (VK). Door deze samenwerkingen prachtige atomaire rangschikking van diamantkristallen en interfaces die nog nooit eerder zijn gezien, kon worden gevisualiseerd, ter ondersteuning van de eerste claims van 'triplet' supergeleiding.

Praktisch bewijs van triplet-supergeleiding in diamanten kwam met veel opwinding voor Bhattacharyya en zijn team. "We waren zelfs aan het werk op eerste kerstdag, we waren zo opgewonden, ' zegt Davie Mtsuko.

"Dit is iets dat nog nooit eerder is geclaimd in diamant, " voegt Christopher Coleman toe. Zowel Mtsuko als Coleman zijn co-auteurs van het artikel.

Ondanks de reputatie van diamanten als een zeer zeldzame en dure grondstof, ze kunnen in een laboratorium worden vervaardigd met behulp van een gespecialiseerd apparaat dat een opdampkamer wordt genoemd. De Wits NSTPL heeft hun eigen plasmadepositiekamer ontwikkeld waarmee ze diamanten van een hogere dan normale kwaliteit kunnen kweken, waardoor ze ideaal zijn voor dit soort geavanceerd onderzoek.

Deze bevinding breidt het potentiële gebruik van diamant uit, dat al goed wordt beschouwd als een kwantummateriaal. "Alle conventionele technologie is gebaseerd op halfgeleiders die verband houden met elektronenlading. Tot nu toe is we hebben een behoorlijk begrip van hoe ze met elkaar omgaan, en hoe u ze kunt beheersen. Maar als we controle hebben over kwantumtoestanden zoals supergeleiding en verstrengeling, er is veel meer natuurkunde voor de lading en spin van elektronen, en dit komt ook met nieuwe eigenschappen, " zegt Bhattacharyya. "Met de nieuwe golf van supergeleidende materialen zoals diamant, traditionele siliciumtechnologie kan worden vervangen door kosteneffectieve oplossingen met een laag stroomverbruik."

De inductie van triplet-supergeleiding in diamant is belangrijk voor meer dan alleen zijn potentiële toepassingen. Het spreekt tot ons fundamentele begrip van de natuurkunde. "Zo ver, triplet supergeleiding bestaat meestal in theorie, en onze studie geeft ons de mogelijkheid om deze modellen op een praktische manier te testen, ’ zegt Bhattacharyya.