Onderzoekers van ETH Zürich zijn erin geslaagd om speciaal geprepareerde grafeenvlokken om te zetten in isolatoren of in supergeleiders door een elektrische spanning aan te leggen. Deze techniek werkt zelfs lokaal, wat betekent dat in dezelfde grafeenvlokgebieden met totaal verschillende fysieke eigenschappen naast elkaar kunnen worden gerealiseerd.

De productie van moderne elektronische componenten vereist materialen met zeer uiteenlopende eigenschappen. Er zijn isolatoren, bijvoorbeeld, die geen elektrische stroom geleiden, en supergeleiders die het zonder verliezen transporteren. Om een ​​bepaalde functionaliteit van een component te verkrijgen, moet men meestal meerdere van dergelijke materialen met elkaar verbinden. Vaak is dat niet eenvoudig, in het bijzonder als het gaat om nanostructuren die tegenwoordig wijdverbreid worden gebruikt. Een team van onderzoekers van ETH Zürich onder leiding van Klaus Ensslin en Thomas Ihn van het Laboratory for Solid State Physics is er nu in geslaagd een materiaal zich afwisselend als isolator of als supergeleider te laten gedragen - of zelfs als beide op verschillende locaties in hetzelfde materiaal - door simpelweg een elektrische spanning aan te leggen. Hun resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur Nanotechnologie . Het werk werd ondersteund door het National Center of Competence in Research QSIT (Quantum Science and Technology).

Grafeen met een magische hoek

Het materiaal dat Ensslin en zijn medewerkers gebruiken, draagt ​​de ietwat omslachtige naam "Magic Angle Twisted Bilayer Graphene". In feite, deze naam verbergt iets vrij eenvoudigs en bekends, namelijk koolstof—zij het in een bepaalde vorm en met een speciale twist. Uitgangspunt voor het materiaal zijn grafeenvlokken, dat zijn koolstoflagen die slechts één atoom dik zijn. De onderzoekers legden twee van die lagen op elkaar, zodanig dat hun kristalassen niet evenwijdig lopen, maar maak liever een "magische hoek" van precies 1,06 graden. "Dat is best lastig, en we moeten ook de temperatuur van de vlokken tijdens de productie nauwkeurig regelen. Als resultaat, het gaat vaak mis, " legt Peter Rickhaus uit, die als postdoc bij de experimenten betrokken was.

Bij twintig procent van de pogingen echter, het werkt, en de atomaire kristalroosters van de grafeenvlokken creëren dan een zogenaamd moirépatroon waarin de elektronen van het materiaal zich anders gedragen dan in gewoon grafeen. Moiré-patronen zijn bekend van televisie, bijvoorbeeld, waarbij het samenspel tussen een kledingstuk met een patroon en de scannende lijnen van het televisiebeeld kan leiden tot interessante optische effecten. Bovenop de magische hoek grafeenvlokken bevestigen de onderzoekers enkele extra elektroden waarmee ze een elektrische spanning op het materiaal kunnen zetten. Als ze dan alles afkoelen tot een paar honderdsten van een graad boven het absolute nulpunt, gebeurt er iets opmerkelijks. Afhankelijk van de aangelegde spanning, de grafeenvlokken gedragen zich op twee totaal tegengestelde manieren:ofwel als supergeleider ofwel als isolator. Deze schakelbare supergeleiding werd in 2018 al gedemonstreerd aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in de VS. Zelfs vandaag de dag zijn er wereldwijd nog maar een paar groepen die dergelijke monsters kunnen produceren.

Isolator en supergeleider in hetzelfde materiaal

Ensslin en zijn collega's gaan nu een stap verder. Door verschillende spanningen op de afzonderlijke elektroden aan te brengen, veranderen ze de magische hoek grafeen op één plek in een isolator, maar een paar honderd nanometer naar één kant wordt het een supergeleider.

"Toen we dat zagen, we hebben natuurlijk eerst geprobeerd een Josephson-kruispunt te realiseren, " zegt Fokko de Vries, die ook postdoc is in Ensslins laboratorium. In dergelijke juncties worden twee supergeleiders gescheiden door een flinterdunne isolerende laag. Op deze manier, stroom kan niet rechtstreeks tussen de twee supergeleiders vloeien, maar moet kwantummechanisch door de isolator tunnelen. Dat, beurtelings, zorgt ervoor dat de geleidbaarheid van het contact op een karakteristieke manier varieert als functie van de stroom, afhankelijk van of er gelijk- of wisselstroom wordt gebruikt.

Mogelijke toepassingen in kwantumtechnologieën

De ETH-onderzoekers slaagden erin een Josephson-junctie te produceren in de grafeenvlokken die door de magische hoek zijn gedraaid door verschillende spanningen te gebruiken die op de drie elektroden worden toegepast, en ook om de eigenschappen ervan te meten. "Nu dat ook is gelukt, we kunnen complexere apparaten uitproberen, zoals SQUID's, ", zegt de Vries. In SQUID's ("supergeleidend kwantuminterferentieapparaat") zijn twee Josephson-overgangen verbonden om een ​​ring te vormen. Praktische toepassingen van dergelijke apparaten zijn onder meer metingen van kleine magnetische velden, maar ook moderne technologieën zoals kwantumcomputers. Voor mogelijke toepassingen in kwantumcomputers, een interessant aspect is dat met behulp van de elektroden de grafeenvlokken niet alleen kunnen worden omgezet in isolatoren en supergeleiders, maar ook in magneten of zogenaamde topologische isolatoren, waarin stroom maar in één richting langs de rand van het materiaal kan stromen. Dit zou kunnen worden benut om verschillende soorten kwantumbits (qubits) in één apparaat te realiseren.

Een toetsenbord voor materialen

"Tot dusver, echter, dat is slechts speculatie, " zegt Ensslin. Toch, hij is enthousiast over de mogelijkheden die ook nu nog ontstaan ​​uit de elektrische besturing. "Met de elektroden, we kunnen praktisch piano spelen op het grafeen." de natuurkundigen hopen dat dit hen zal helpen nieuwe inzichten te krijgen in de gedetailleerde mechanismen die supergeleiding tot stand brengen in magische hoekgrafeen.