Een tweedimensionaal materiaal maken, slechts een paar atomen dik, is vaak een moeizaam proces waarvoor geavanceerde apparatuur nodig is. Dus wetenschappers waren verrast om 2D-plassen te zien ontstaan ​​in een driedimensionale supergeleider - een materiaal waarmee elektronen met 100% efficiëntie en zonder weerstand kunnen reizen - zonder enige aanleiding.

Binnen die plassen, supergeleidende elektronen gedroegen zich alsof ze waren opgesloten in een ongelooflijk dun, bladachtig vlak, een situatie die vereist dat ze op de een of andere manier overstappen naar een andere dimensie, waar verschillende regels van de kwantumfysica van toepassing zijn.

"Dit is een prikkelend voorbeeld van opkomend gedrag, die vaak moeilijk of onmogelijk te repliceren is door te proberen het helemaal opnieuw te ontwikkelen, " zei Hari Manoharan, een professor aan de Stanford University en onderzoeker bij het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) bij het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, die het onderzoek leidde.

"Het is alsof wanneer je de macht krijgt om supergeleiding te geven, " hij zei, "de 3D-elektronen kiezen er zelf voor om in een 2D-wereld te leven."

Het onderzoeksteam noemt dit nieuwe fenomeen "interdimensionale supergeleiding, " en in een rapport in de Proceedings van de National Academy of Sciences vandaag, ze suggereren dat dit is hoe 3D-supergeleiders zichzelf reorganiseren net voordat ze een abrupte verschuiving naar een isolerende toestand ondergaan, waar elektronen zijn beperkt tot hun thuisatomen en helemaal niet kunnen bewegen.

"Wat we vonden was een systeem waarin elektronen zich op onverwachte manieren gedragen. Dat is het mooie van natuurkunde, " zei Carolina Parra, een postdoctoraal onderzoeker bij SLAC en Stanford ten tijde van de studie die de experimenten uitvoerde die leidden tot de visualisatie van dit intrigerende resultaat. "We hadden veel geluk om dit gedrag te vinden."

Elektronen die vreemd doen

Hoewel supergeleiding meer dan een eeuw geleden werd ontdekt, het nut ervan werd beperkt door het feit dat materialen alleen supergeleidend werden bij temperaturen die dicht bij die van de verre ruimte lagen.

Dus de aankondiging in 1986 dat wetenschappers een nieuwe en onverwachte klasse van supergeleidende materialen hadden ontdekt die bij veel hogere - hoewel nog steeds erg koude - temperaturen werkten, veroorzaakte een tsunami van onderzoek die tot op de dag van vandaag voortduurt, met als doel uit te zoeken hoe de nieuwe materialen werken en versies te ontwikkelen die dichter bij kamertemperatuur werken voor toepassingen zoals perfect efficiënte hoogspanningslijnen en maglev-treinen.

Deze studie begon met een hogetemperatuur-supergeleider genaamd BPBO vanwege zijn vier atomaire ingrediënten:barium, leiding, bismut en zuurstof. Het werd gesynthetiseerd in het laboratorium van Stanford Professor en SIMES-onderzoeker Ian Fisher door Paula Giraldo-Gallo, een doctoraat leerling destijds.

Zoals onderzoekers daar routinetests doorstonden, inclusief het bepalen van de overgangstemperatuur waarbij het omslaat tussen een supergeleidende en een isolerende fase - zoals water dat verandert in stoom of ijs - realiseerden ze zich dat hun gegevens lieten zien dat elektronen zich gedroegen alsof ze beperkt waren tot ultradunne, 2D lagen of strepen in het materiaal. Dit was een puzzel, omdat BPBO een 3D-supergeleider is waarvan de elektronen normaal gesproken vrij zijn om in elke gewenste richting te bewegen.

Gefascineerd, Manoharan's team nam een ​​kijkje met een scanning tunneling microscoop, of STM - een instrument dat individuele atomen in de bovenste paar atomaire lagen van een materiaal kan identificeren en zelfs verplaatsen.

Interactieve plassen

de strepen, ze kwamen erachter, leek geen relatie te hebben met de manier waarop de atomen van het materiaal waren georganiseerd of met kleine hobbels en kuilen op het oppervlak.

"In plaats daarvan, de strepen waren lagen waar elektronen zich gedragen alsof ze beperkt zijn tot 2D, plasachtige plekken in het materiaal, Parra zei. "De afstand tussen plassen is zo kort dat de elektronen elkaar kunnen 'zien' en met elkaar kunnen interageren op een manier die hen in staat stelt om zonder weerstand te bewegen, dat is het kenmerk van supergeleiding."

De 2D-plassen kwamen tevoorschijn toen de wetenschappers de temperatuur en andere omstandigheden zorgvuldig afstelden in de richting van het overgangspunt waar de supergeleider een isolator zou worden.

Hun waarnemingen sluiten nauw aan bij een theorie van "emergente elektronische granulariteit" in supergeleiders, ontwikkeld door Nandini Trivedi van de Ohio State University en collega's.

"De voorspellingen die we hadden gedaan gingen in tegen het standaardparadigma voor supergeleiders, "Zei Trivedi. "Meestal, hoe sterker een supergeleider is, hoe meer energie er nodig is om de binding tussen de supergeleidende elektronenparen te verbreken - een factor die we de energiekloof noemen. Maar mijn groep had voorspeld dat in dit specifieke type ongeordende supergeleider, het tegenovergestelde zou waar zijn:het systeem zou opkomende plassen vormen waar de supergeleiding sterk was, maar de paren konden worden verbroken met veel minder energie dan verwacht.

"Het was best spannend om te zien dat die voorspellingen werden bevestigd door de STM-metingen van de Stanford-groep!"

De wetenschap verspreiden

De resultaten hebben praktische implicaties voor het maken van 2D-materialen, zei Parra.

"De meeste methoden voor het maken van 2D-materialen zijn technische benaderingen, zoals het kweken van films van een paar atomaire lagen dik of het creëren van een scherpe interface tussen twee materialen en daar een 2D-toestand opsluiten, "zei ze. "Dit biedt een extra manier om deze 2D supergeleidende toestanden te bereiken. Het is goedkoper, je hebt geen luxe apparatuur nodig die zeer lage temperaturen vereist en het duurt geen dagen en weken. Het enige lastige zou zijn om de samenstelling van het materiaal precies goed te krijgen."

Parra leidt nu een lab aan de Federico Santa María Technical University in Valparaíso, Chili, gericht op interdisciplinaire studies van biologische materialen op nanoschaal. Ze won onlangs een beurs voor de aanschaf en exploitatie van de allereerste lage-temperatuur scanning tunneling microscoop in Zuid-Amerika. die ze van plan is te gebruiken om deze onderzoekslijn voort te zetten.

"Als ik deze apparatuur in het lab heb, " ze zei, "Ik zal het verbinden met alle dingen die ik heb geleerd in Hari's lab en het gebruiken om een ​​nieuwe generatie onderzoekers te leren dat we in Chili zullen werken in nanowetenschap en nanotechnologie."