Slome elektronen maken grafeen supergeleidend

Natuurkunde De elektrische weerstand van grafeen verdwijnt als laagjes gedraaid zijn. Dat komt doordat er een moiré-patroon ontstaat.

Moiré-effect in twee lagen grafeen.
Moiré-effect in twee lagen grafeen. Foto Nature Physics

Leg twee velletjes van het ultradunne materiaal grafeen op de juiste wijze op elkaar en het geheel wordt supergeleidend. In dit supergeleidende grafeen verdwijnt alle elektrische weerstand waardoor stroom er ongehinderd doorheen beweegt. Dat is een gewilde eigenschap in bijvoorbeeld de elektronica-industrie.

Natuurkundigen uit Leiden, Barcelona en Genève toonden maandag in Nature Physics hoe een ‘magische’ draaiing grafeen supergeleidend maakt. Onderzoekers van de Amerikaanse universiteit MIT hadden die bijzondere eigenschap twee jaar geleden ontdekt door twee velletjes grafeen op elkaar te leggen en het bovenste velletje iets meer dan één graad te draaien ten opzicht van de onderste. Net als bij andere supergeleiders, wordt grafeen pas supergeleidend als je het afkoelt tot enkele graden boven het absolute nulpunt (-273°C).

Grafeen is een flinterdun materiaal dat bestaat uit een enkel laagje koolstofatomen, gerangschikt in een zeshoekig kippengaaspatroon. Het is sterk, flexibel en licht. De twee onderzoekers die in 2004 als eerste velletjes grafeen los peuterden van alledaags grafiet ontvingen in 2010 de Nobelprijs voor natuurkunde.

Met collega’s onderzochten hoogleraar Sense Jan van der Molen en Milan Allan van de Universiteit Leiden' hoe die kleine draaiing voor de grote verandering in geleiding zorgt. Het heeft alles te maken met het gedrag van de elektronen in het materiaal. Als elektronen onderling een verbinding aangaan en paren vormen, dan wordt een materiaal supergeleidend. Maar om zo’n paar te vormen moeten de elektronen traag genoeg bewegen.

Psychedelische vormen

De natuurkundigen uit Leiden, Barcelona en Genève tonen nu dat de kleine draaiing van de velletjes grafeen elektronen afremt. Dat heeft te maken met het moirépatroon dat ontstaat als je twee doorschijnende vellen met een herhalend patroon over elkaar heen legt en iets verandert ten opzicht van elkaar, bijvoorbeeld met een draaiing. Omdat de patronen niet perfect overlappen, ontstaan er een grootschaliger patroon van heldere en donkere gebieden. Het bekendste voorbeeld is het vervormde patroon dat je ziet als als je van een afstand naar twee hekken kijkt die achter elkaar staan. Bij de velletjes grafeen veroorzaken de net niet overlappende kippengaaspatronen een moirépatroon in de vorm van zeshoeken. Het nieuwe patroon vertraagt de beweging van elektronen in de twee velletjes grafeen genoeg voor supergeleiding.

„Dit is pas het begin”, zegt Van der Molen. „We kunnen kijken of dit ook werkt met velletjes van andere ultradunne materialen. En er kan gekeken worden naar toepassingen, zoals in gevoelige lichtdetectoren of computermaterialen.”

Om het onderzoek uit te voeren was grafeen van hoge kwaliteit en nauwkeurige meetapparatuur nodig, vertelt Van der Molen. „In Barcelona zijn stukjes tweelaags grafeen van ongeveer 0,02 millimeter groot gemaakt. Dat stuurden ze naar Leiden.” De monsters waren niet perfect. Op sommige plekken was de draaiingshoek netjes iets meer dan één graad, maar op veel plekken niet. “Zij brachten met microscooptechnieken de gebiedjes met de gewenste draaiingshoek in kaart.” Vervolgens reisden de monsters – met de kaarten – naar Genève. Daar toonden natuurkundigen, met een andere meettechniek, dat de elektronen in de aangewezen gebiedjes inderdaad afremmen en dus paren kunnen vormen die nodig zijn voor supergeleiding.