Zonder weerstand

Er zit volop beweging in het onderzoek naar nieuwe hoge temperatuur supergeleiders. Terwijl nog maar een paar maanden geleden een simpel zout, magnesium diboride, natuurkundigen naar hun opstellingen joeg in de hoop een nieuw record te kunnen vestigen, zijn het nu onderzoekers van Bell Labs in New Jersey die een techniek hebben ontwikkeld om niet-geleidende materialen te transformeren in supergeleidende metalen. Door bijvoorbeeld aan kristallen van het koolstofmolecuul C (buckybal) kleine organische moleculen toe te voegen haalden ze onlangs zelfs een supergeleidende overgangstemperatuur van 117 kelvin.

Dat is niet veel minder dan de hoogste temperatuur ooit bereikt (164 kelvin) in verbindingen van koperoxide met allerlei vaak exotische metalen. De toegepaste methode blijkt echter veel breder toepasbaar: in dezelfde uitgave van Science (28 sept.) laten ze zien dat zelfs een koperoxide zonder toevoeging van wat voor vreemde metalen dan ook supergeleidend kan worden. Als dergelijke resultaten ook kunnen worden behaald met grotere kristallen, opent dat ongekende mogelijkheden voor de toepassing van supergeleidende devices in elektronische schakelingen.

Positieve gaten

Het is al lang bekend dat C-kristallen supergeleidend worden wanneer er atomen van bijvoorbeeld kalium of cesium aan worden toegevoegd. Dergelijke metalen beschikken over vrije elektronen die ze aan de koolstofmoleculen kunnen doorgeven, waardoor de verbinding als geheel zich als een metaal gaat gedragen. Uit experimenten bleek dat hoe groter de metaalatomen die worden toegevoegd, hoe hoger de temperatuur waarbij het buckybal supergeleidend wordt. Theoretische bespiegelingen wezen bovendien uit dat die temperatuur nog verder omhoog zou kunnen als er geen elektronen aan de C-moleculen worden toegevoegd, maar juist onttrokken (natuurkundigen spreken in dit geval overigens liever van het toevoegen van (positieve) gaten).

Ondanks verwoede pogingen van scheikundigen lukte dat niet door andere atomen aan de buckyballen vast te zetten. Hendrik Schön, Christian Kloc en Bertram Batlogg deden het daarom anders. Op zuivere C-kristallen brachten ze goudelektroden aan, van elkaar gescheiden door een isolerend laagje aluminiumoxyde, en maakten zo een Field Effect Transistor. Door op de onderste elektrode een spanning te zetten en die te variëren, konden er een willekeurig aantal elektronen aan het kristal worden toegevoegd of onttrokken. Dat stelde hen in staat om het aantal elektronen of gaten per C-molecuul zó in te stellen dat een zo hoog mogelijke supergeleidende overgangstemperatuur werd verkregen.

Door injectie van elektronen verloren de buckybal-moleculen hun weerstand bij een temperatuur van elf graden boven het absolute nulpunt. Dat was al een ongekend hoge temperatuur voor een organisch, niet-geleidend molecuul. En wat chemisch nooit was gelukt lukte eind vorig jaar `elektronisch' wel. Door injectie van gaten liep de supergeleidende overgangstemperatuur op tot 52 graden (Nature, 30 nov. 2000). Maar dat was nog lang niet de hoogst haalbare temperatuur. Schön en collega's slaagden er in om tussen de C-moleculen in het kristal kleine organische verbindingen te stoppen. Daardoor komen de buckyballen verder van elkaar te liggen, wat leidt tot een verdere verschuiving van de supergeleidende overgang tot 117 kelvin (Science, 28 sept.). En als de onderlinge afstand nog één procent groter gemaakt zou kunnen worden, zou zelfs een temperatuur van boven de 150 kelvin mogelijk worden. Daarmee vormt het C eens serieuze concurrent voor de koperoxides.

Chemisch dopen

In feite ontlenen die hun supergeleidende eigenschappen ook aan het `chemisch dopen', het in lage concentratie toevoegen van atomen als strontium of yttrium. Daardoor ontstaat een tekort of overschot aan elektronen, dat supergeleiding mogelijk maakt. Een nadeel is echter dat door het toevoegen van vreemde atomen de kristalstructuur van het materiaal verandert. Er ontstaat een zekere mate van wanorde, waardoor het positieve effect van het dopen op de supergeleidende eigenschappen teniet wordt gedaan. Dat was de reden dat Schön op het idee kwam op opnieuw langs elektronische weg het totaal aantal beschikbare elektronen te gaan variëren. Hij ging daarvoor uit van een koperoxyde-verbinding, en toonde aan dat die in een FET supergeleidend zonder dat er exotische atomen aan toe gevoegd hoeven te worden (Science, 28 sept.).

De Bell Labs methode is uniek omdat de supergeleidende eigenschappen van het materiaal naar believen kunnen worden veranderd en zelfs volledig kunnen worden onderdrukt. Zo zou een C-kristal de basis kunnen gaan vormen voor een ideale schakelaar: in een keer van volledig isolerend naar supergeleidend. Een nadeel is op dit moment nog wel dat de grootte van de supergeleidende stroom niet voldoende is voor toepassing in schakelingen. Eerst moeten daarom dezelfde experimenten worden gedaan in grotere kristallen, in plaats van de flinterdunne kristalfilms waar de FET nu nog uit bestaat.

    • Rob van den Berg