Een dubbele laag wolfraamdiselenide gedraagt zich bij zeer lage temperaturen als een supergeleider. Dat suggereert een nieuwe route naar de ontwikkeling van materialen die ook bij kamertemperatuur supergeleiden.
In een gedraaid kristal is een mysterieuze vorm van supergeleiding ontdekt. Dit zou onderzoekers nieuwe methoden kunnen aanreiken om superefficiënte elektronica te maken. De Amerikaanse natuurkundigen die het fenomeen ontdekten publiceerden hun resultaten in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.
Stapelen en draaien
Supergeleiding is een zeldzame eigenschap waarbij sommige materialen elektriciteit geleiden zonder weerstand. Bestaande supergeleiders werken enkel bij lage temperaturen of extreme druk. Maar een supergeleider die bij kamertemperatuur werkt zou de energiesystemen van de wereld kunnen transformeren door onbeperkt energie over enorme afstanden te sturen.
‘AI is een veredelde rekenmachine’
Met AI spoort Ann Dooms vervalste schilderijen op, maakt ze onleesbare teksten doorzoekbaar en brengt ze de kwaliteit van eicellen in kaart.
Ondanks uitgebreide inspanningen hebben wetenschappers nog steeds geen supergeleider bij kamertemperatuur ontdekt. Daarnaast debatteren onderzoekers nog steeds over de onderliggende natuurkundige mechanismen waardoor huidige (relatief) hoge temperatuur-supergeleiders werken, ook wel onconventionele supergeleiding genoemd.
In 2018 ontdekten onderzoekers onverwacht dat vellen grafeen, lagen koolstof van een atoom dik, veranderden in een supergeleider door ze op elkaar te stapelen en lichtjes ten opzichte van elkaar te draaien. Toen ze dit stapelen en draaien herhaalden met andere materialen, en zo een zogeheten moirépatroon creëerden, leverde dit geen supergeleiding op. Het bleef onduidelijk of de oorspronkelijke supergeleiding slechts een eigenaardigheid van grafeen was, of dat er meer algemene principes te ontdekken vielen voor het maken van een supergeleider bij kamertemperatuur.
Koude contacten
Nu hebben natuurkundige Cory Dean van de Columbia-universiteit in New York en zijn collega’s supergeleiding ontdekt in een tweede type materiaal met een dikte van één atoom, het metaal wolfraamdiselenide. De eigenschap treedt op wanneer twee gedraaide lagen kristallen van de stof worden afgekoeld tot -272,724 graden Celsius, ongeveer een halve graad boven het absolute nulpunt. ‘Grafeen is niet het enige systeem dat dit doet’, zegt Dean. ‘Dat suggereert dat dit een algemene eigenschap zou kunnen zijn van materialen met moirépatronen.’
Dean en zijn team zagen de eerste hints van supergeleiding in wolfraamdiselenide kort na het grafeenexperiment, toen ze het materiaal afkoelden tot extreem lage temperaturen. Maar ze konden de supergeleiding niet goed meten omdat hun elektrische contacten ermee ophielden toen ze het materiaal verder probeerden af te koelen. ‘We zijn twee tot drie jaar bezig geweest om dit uit te zoeken. Hoe kunnen we dat temperatuurvenster omlaag duwen en onze contacten dit laten overleven?’ zegt Dean. ‘Uiteindelijk lukte dat en kijk: de supergeleider kwam weer tevoorschijn in ons nieuwe monster.’
Magnetisch mysterie
Het vinden van supergeleiding in een ander materiaal dan grafeen zou het bestaan van een geheel nieuwe klasse supergeleidende materialen kunnen betekenen, zegt natuurkundige Joseph Betouras van de Loughborough-universiteit in het Verenigd Koninkrijk. ‘Als je eenmaal de details van deze materialen begrijpt, en wat de eigenschappen zijn die tot supergeleiding leiden, dan kun je beginnen met het ontwikkelen van materialen met steeds hogere temperaturen en uiteindelijk supergeleiding bij kamertemperatuur bereiken.’
Het is nog onduidelijk hoe wolfraamdiselenide precies supergeleidend wordt, zegt Dean, maar er zijn aanwijzingen dat het een kenmerk is van de magnetische velden van het materiaal, veroorzaakt door de interacties tussen de twee gedraaide platen. Dean en zijn team ontdekten de supergeleiding alleen naast gebieden waar de magnetische velden tegengesteld waren gekoppeld, zoals een noord- en zuidpool die naast elkaar liggen.
‘Die relatie tussen het begin van supergeleiding en het begin van magnetische ordening geeft ons een goed gevoel dat dit wel eens vergelijkbaar zou kunnen zijn met de onconventionele supergeleiding die verondersteld wordt te bestaan in andere materialen’, zegt Dean.
