Wetenschappers van de TU Delft, samen met collega's van de Universiteit van Tübingen, hebben met succes nano-elektronische circuits gemaakt met behulp van een recent ontdekte tweedimensionale supergeleider.

Wat dit materiaal uniek maakt, is dat de supergeleiding op afstand kan worden in- en uitgeschakeld, heel erg zoals het schakelen van elektrische stroom in een transistor op een microchip. Gebruikmakend van dit effect op nanoschaal, de onderzoekers creëerden op een geheel nieuwe manier supergeleidende circuits, wat onmogelijk is te bereiken in andere algemeen bekende supergeleiders. Hun werk is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

Een supergeleider maken van isolatoren

Om de apparaten te maken, onderzoekers maken eerst een ring bestaande uit twee isolatoren, lanthaanaluminaat (LAO) en strontiumtitanaat (STO). Dit wordt gedaan door een combinatie van nanofabricage en nauwkeurig atoom door atoomafzetting van lagen LAO op STO. Eindelijk, metalen poorten worden op twee kleine delen van deze ring geplaatst. Wanneer deze structuren worden afgekoeld tot lage temperaturen, verschijnt er een ringvormig vel supergeleider op de grens tussen de isolatoren. De reden voor deze onverwachte opkomst van supergeleiding is nog steeds een mysterie. Sinds de ontdekking in 2007, groepen over de hele wereld hebben technieken ontwikkeld om beter te begrijpen waarom deze supergeleider verschijnt en wat zijn eigenschappen zijn. De apparaten die aan de TU Delft zijn gemaakt, bieden een nieuwe route om toegang te krijgen tot cruciale microscopische informatie over deze supergeleider, die tot nu toe buiten bereik was.

Deuropeningen voor supergeleiding

De metalen poorten, Zoals de naam al doet vermoeden, zijn als doorgangen op nanoschaal voor supergeleiding. Als er geen spanning op de poorten staat, staat deze deur open en is de supergeleidende ring ongestoord. Anderzijds, wanneer grote spanningen worden toegepast, de supergeleiding net onder de poorten wordt uitgeschakeld (de deur sluit volledig) en twee helften van de ring worden van elkaar losgekoppeld. "Maar er gebeurt iets heel bijzonders als deze deuren maar gedeeltelijk gesloten zijn", zegt Srijit Goswami van het Kavli Institute of Nanoscience, Delft. "In deze configuratie de weerstand van het apparaat begint te schommelen tussen nul en een hoge waarde, wanneer kleine magnetische velden worden toegepast. Dus, het lijkt alsof de hele structuur heen en weer gaat tussen een supergeleidende toestand (nulweerstand) en een normaal metaal (hoge weerstand)." Dit effect ontstaat door kwantumeffecten in de supergeleider, die in principe erg lijken op wat er gebeurt als twee golven superponeren om een ​​interferentiepatroon te produceren. Daarom worden dergelijke apparaten Superconducting QUantum Intereference Devices (SQUID's) genoemd.

SQUID's worden routinematig in veel toepassingen gebruikt, zoals medische MRI-machines, die de detectie van kleine magnetische signalen vereisen. Er zijn ook pogingen om ze te gebruiken in toekomstige kwantuminformatieverwerkingscircuits. Zelfs de meest geavanceerde technologieën voor het maken van SQUID's van vandaag laten niet toe om de supergeleidende eigenschappen via elektrische poorten af ​​te stemmen. Groepsleider Andrea Caviglia reageert op deze nieuwe ontdekking:"Met behulp van de strategie ontwikkeld aan de TU Delft, het kan mogelijk worden om complexere supergeleidende circuits te maken, waarbij de functionaliteit van het apparaat volledig wordt geregeld via poortspanningen". Of dergelijke apparaten uiteindelijk technologisch relevant zullen worden, is nog een open vraag. ze zullen zeker een belangrijke rol spelen bij het beantwoorden van fundamentele vragen over supergeleiding op nanoschaal.