Grafeen golft als het plat is en laat ook nog superstroom passeren

Grafeen blijft natuurkundigen in zijn greep houden. Onderzoekers van het Kavli Instituut in Delft laten zien dat je met deze moleculaire koolstoflaagjes – nauw verwant aan grafiet – een supergeleidende transistor kunt maken. En in dezelfde uitgave van Nature (1 maart) laten fysici uit Nederland, Duitsland en Engeland weten dat ze zo’n koolstoflaagje in vrije toestand konden ophangen en bestuderen, terwijl leerboeken beweren dat zoiets helemaal niet kan.

Koolstof is niet alleen chemisch een veelzijdig element maar verschaft met zijn verschillende verschijningsvormen als grafiet, buckyballen, buckybuisjes en grafeen, ook natuurkundigen veel plezier. Zo bleek in de afgelopen twee jaar de regelmatige, tweedimensionale rangschikking van koolstofatomen in grafeen een ideaal speelveld te zijn voor elektronen, die zich er doorheen bewegen met snelheden die de lichtsnelheid benaderen. Daarom hoopt men dat grafeen gebruikt kan worden in elektronica.

Voor Hubert Heersche en zijn Delftse collega’s is grafeen voorlopig meer een fascinerend materiaal voor fundamenteel onderzoek. Zij plaatsten twee supergeleidende elektroden aan weerszijden van een grafeenlaagje. In zo’n supergeleider is bij lage temperaturen alle weerstand verdwenen waardoor een ‘superstroom’ in principe eeuwig kan blijven lopen. Hoewel grafeen zelf geen supergeleidende eigenschappen heeft, bleek de superstroom er wel doorheen te kunnen. Dit is het Josephson-effect, naar de Engelse natuurkundige Brian Josephson die het in 1962 voorspelde. De grootte en aard van deze superstroom door het grafeen was bovendien van buitenaf te beïnvloeden met een spanning. Daarmee is grafeen een superstroom transistor.

Terwijl de experimenten zoals tot dusver gangbaar was plaatsvonden aan grafeenlaagjes op een ondergrond wisten fysici onder leiding van Jannick Meyer van het Max Planck Instituut in Stuttgart als eersten dit dunst mogelijke koolstoflaagje in vrije toestand te bestuderen. Ze deden dat door de silicium ondergrond weg te etsen en het grafeen op een goudroostertje op te vangen. Met behulp van de elektronenmicroscoop konden ze daarna de precieze rangschikking van de koolstofatomen in beeld brengen. Tot hun verbazing bleek het koolstoflaagje niet vlak maar licht gebobbeld. Uit berekeningen van de Nijmeegse fysicus Mikhail Katsnelson bleek vervolgens dat dit ook essentieel is om in vrije toestand te kunnen bestaan.

Rob van den Berg