Stapel twee lagen grafeen, onder enigszins verschillende hoeken ten opzichte van elkaar gedraaid, en het materiaal wordt spontaan een supergeleider. De wetenschap kan nog steeds niet verklaren hoe zoiets magisch kan gebeuren, maar natuurkundigen gebruiken speciale apparatuur om te onthullen wat er onder het oppervlak gebeurt.

Supergeleiding is een onderwerp dat wetenschappers al generaties lang intrigeert, sinds het meer dan 100 jaar geleden voor het eerst werd opgemerkt, in het Leidse laboratorium van Nobelprijswinnaar Heike Kamerlingh Onnes. Hij koelde kwik af tot bijna het absolute nulpunt en plotseling, alle weerstand verdween. Als je een elektrische stroom in zo'n koud metaal zet, het zal blijven stromen totdat de koeling wordt gestopt.

Koelen betekent in dit geval een temperatuur van rond de 270 graden onder nul, de temperatuur waarbij helium vloeibaar wordt. Dit is ingewikkeld en duur, dus praktische toepassingen van supergeleiding waren beperkt tot de magneten in MRI-scanners in ziekenhuizen, tot nu toe.

Ondertussen, natuurkundigen hebben gezocht naar 'warme' supergeleiders die met minder koeling zullen werken. Bijvoorbeeld, Er zijn keramische materialen ontwikkeld die supergeleidend zijn bij min 140. Dat is vooruitgang, maar we zijn er nog niet. Er zijn nog veel onbeantwoorde vragen. Wat er precies in die materialen gebeurt, is zo'n vraag waarop de Leidse onderzoekers Tjerk Benschop en Sense Jan van der Molen een antwoord hopen te vinden.

"De geschiedenis heeft ons geleerd dat zo'n zoektocht tijd kan kosten, zegt Van der Molen, hoogleraar fysica van de gecondenseerde materie. "Kamerlingh Onnes ontdekte supergeleiding in 1911, maar het was pas in 1957 dat een goede verklarende theorie werd gepubliceerd. En we begrijpen die nieuwe keramische supergeleiders nog steeds niet helemaal. Het is ingewikkeld, ook voor natuurkundigen. Dat was ook het uitgangspunt voor onze samenwerking:laten we een relatief eenvoudig materiaal nemen om mee te experimenteren:grafeen."

doctoraat kandidaat Tjerk Benschop:"Interessant is dat de faseovergang naar supergeleiding met grafeen vergelijkbaar is met die van de keramische supergeleiders. Het idee is dat door het bestuderen van grafeen, we kunnen meer leren over wat er in andere supergeleiders gebeurt.

Nieuwe draai

Iedereen heeft grafeen in huis. De grafietkern van een potlood bestaat uit eindeloze lagen grafeen, waarin koolstofatomen netjes zijn gerangschikt in een honingraatstructuur. Van der Molen:“Tweelaags grafeen heeft bijzondere eigenschappen:je kunt er letterlijk een nieuwe draai aan geven. Als je twee lagen grafeen onder een kleine hoek draait, je krijgt ineens een supergeleidend materiaal. En als je de hoek tussen de lagen vergroot, dat fenomeen verdwijnt. Daar zit veel complexe natuurkunde achter, en in sommige opzichten is het nog steeds moeilijk uit te leggen."

Benschop:"Het klinkt een beetje gek, maar onder een magische hoek van 1,1 graden, elektronen in de twee lagen beginnen elkaar meer waar te nemen; ze kunnen communiceren. Dat resulteert in unieke eigenschappen, een daarvan is supergeleiding. Het is moeilijk uit te leggen waarom dat zo is, omdat er veel natuurkunde-gerelateerde stappen tussen zitten. Bijvoorbeeld, we hebben het over banden van elektronen, iets wat moeilijk voor te stellen is."

Platte banden

Een internationale groep onderzoekers heeft de supergeleidende grafeensandwich in detail in kaart gebracht, met behulp van een aantal meettechnieken. Zij bundelden de expertise op het gebied van supergeleiding van de supervisor van Benschop, Milaan Allan, en collega Felix Baumberger in Zwitserland met het grafeenonderzoek van Van der Molen. "Als je heel nauwkeurig meet, je kunt zelfs de toestand van de elektronen in het materiaal vaststellen. Tot nu, niemand was erin geslaagd aan te tonen dat elektronen min of meer onbeweeglijk zijn in de magische hoek in wat bekend staat als een platte band. En het kostte enorm veel werk."

Benschop:"Op een gegeven moment Ik heb mijn kerstvakantie opgeofferd om beelden te maken van verwrongen grafeen. Het lastige aan mijn techniek is dat je alleen nauwkeurig kunt meten als het oppervlak van het grafeen scrupuleus schoon is. Je scant met een microscopisch kleine naald boven het oppervlak en als er ergens maar een enkele molecuul vuil is, uw meting mislukt. Dat zorgde in het begin voor veel gedoe, stap voor stap uitzoeken wat het beste werkte. Voor een nauwkeurige meting, het oppervlak van het grafeen moet echt schoon zijn, dus we meten in een ultrahoogvacuümomgeving, bijvoorbeeld. Er zweven minder deeltjes in de meetkamer dan in de ruimte."

Eureka-moment

De kleine exemplaren van gedraaid dubbellaags grafeen zijn gemaakt door collega-fysici in Barcelona, want dat is een vaardigheid op zich. "Het mooie van wetenschap is dat je via publicaties en congressen mensen ontmoet en samen op nieuwe ideeën komt, ", zegt Van der Molen. "In dit geval we hadden vier onderzoeksgroepen nodig om hier een succes van te maken."

"Na lange dagen in het laboratorium, geduldig herhalen en verbeteren, er was eindelijk een eureka-moment, Benschop vertelt ons. "Je bent er lang mee bezig geweest, in de hoop dat het uiteindelijk je zult in staat zijn om een ​​goede meting te krijgen. Het is zo'n speciaal moment als je de atomaire structuur van het grafeen op je scherm ziet verschijnen, met dat mooie patroon dat past bij de juiste draaihoek."

Zodra de twee lagen grafeen ten opzichte van elkaar worden gedraaid, ineens wordt een grote honingraatstructuur zichtbaar. Het is hetzelfde spontane patroonvormende of moiré-effect dat je krijgt als je twee dunne lagen zijde over elkaar heen beweegt. Van der Molen:"Dat patroon is niet alleen een optische illusie; er ontstaat een nieuwe structuur waardoor elektronen nieuwe gebieden krijgen om in te bewegen."

Zullen er ooit chips met magische hoekgrafeen in computers of smartphones komen? Benschop denkt van niet. "Supergeleiding komt voor in grafeen bij min 272 graden, wat een praktische toepassing onhaalbaar maakt aangezien vloeibaar helium extreem duur is. Bovenal, we leren steeds meer over hoe supergeleiding optreedt en hopelijk, dit zal ideeën opleveren voor nieuwe materialen die supergeleidend zijn bij kamertemperatuur."

Lego

Volgens Van der Molen dubbellaags grafeen is slechts het begin. Het feit is dat er veel andere platte, geleidende materialen die ook gestapeld en gedraaid kunnen worden. "Ik zie het als Lego. Je legt de ene laag op de andere en als er een sterke interactie is, er ontstaat een nieuw materiaal met onverwachte eigenschappen. Het is een beetje zoals het combineren van waterstof met zuurstof om water te krijgen, en waar het geheel veel groter is dan de som der delen."

Een andere optie die Benschop graag wil onderzoeken, is het kromtrekken van dubbellaagse materialen, omdat dat ook de moiré-patronen en elektrische eigenschappen verandert. "Kortom, er zijn heel veel parameters om mee te experimenteren, ", zegt Van der Molen. "Er is een theoretische voorspelling dat de temperatuur voor supergeleiding gemakkelijk hoger zou kunnen zijn. Maar hoe dat kan, weten we te weinig, vooralsnog. Dat is ook het mooiste van ons vakgebied:heel veel dingen zijn moeilijk te berekenen of te voorspellen, dus experimenteren maakt het verschil."