Sterk vervuild silicium wordt supergeleidend

Meestal gaat het schuil achter een kunststof behuizing, maar het is hét materiaal van de afgelopen halve eeuw: silicium, de grondstof van chips. De opkomst van silicium hangt nauw samen met de elektrische eigenschappen ervan. Silicium is een niet-geleidend materiaal, dat een beetje geleidend gemaakt kan worden door er verontreinigingen aan toe te voegen. Dat maakt het een ideaal bouwmateriaal voor minuscule schakelingen. Maar als silicium flink onder handen wordt genomen, kan deze halfgeleider ineens heel andere eigenschappen krijgen: silicium kan in een supergeleider veranderen, zo meldt een team van Franse, Britse en Slowaakse natuurkundigen (Nature, 23 november).

Om dat te bewerkstelligen gingen ze het silicium behoorlijk te lijf. Eerst dampten ze er een laagje booratomen op, daarna persten ze de booratomen met krachtige laserpulsen het silicium in. Zo konden zij het silicium met boor verontreinigen in een mate die niet eerder was bereikt. Werd het materiaal daarna afgekoeld tot 0,3 graad boven het absolute nulpunt, dan trad supergeleiding op.

Dat komt doordat de booratomen het gedrag van de elektronen in het silicium verstoren. In zuiver, niet-geleidend silicium zijn alle elektronen netjes toebedeeld aan de atomen. Om er een halfgeleider van te maken, wordt silicium verontreinigd met booratomen of fosforatomen. Boort heeft een elektron minder dan silicium, fosforatomen hebben juist een elektron meer. Die extra elektronen of ‘gaten’ verstoren het stabiele systeem en zorgen ervoor dat elektronen kunnen gaan zwerven, waardoor het materiaal in een gering elektrisch veld geleidend wordt.

In de huidige proeven is door de grote mate van verontreiniging zo’n uitzonderlijk materiaal ontstaan dat elektronen er zelfs paarsgewijs en weerstandsloos door gaan bewegen. Het is deze klassieke vorm van supergeleiding, beschreven door Nobelprijswinnaars John Bardeen, Leon Cooper en John Schrieffer, die volgens de auteurs optreedt in het materiaal.

Indrukwekkend, schrijft chemicus Robert Cava uit Princeton in een begeleidend commentaar. Al is, schrijft hij ook, niet duidelijk wat deze vondst in de praktijk voor nut zou kunnen hebben. De omstandigheden waaronder supergeleiding optreedt zijn immers zo extreem dat silicium in deze supergeleidende vorm niet geïntegreerd kan worden in de subtiele en ingenieuze schakelingen op een chip.

Maar als het doel was om meer inzicht in het verschijnsel supergeleiding te krijgen, dan zijn de onderzoekers daar zeker in geslaagd, aldus Cava. Margriet van der Heijden