Het supergeleidingskoepelmysterie opgelost

17 april 2018, 00:00
Verband tussen temperatuur waarbij supergeleiding optreedt (verticale as) en de sterkte van het elektrisch veld (horizontale as). Illustratie: PNAS/RUG.
Verband tussen temperatuur waarbij supergeleiding optreedt (verticale as) en de sterkte van het elektrisch veld (horizontale as). Illustratie: PNAS/RUG.

Natuurkundigen van de Rijksuniversiteit Groningen hebben, samen met collega’s uit Nijmegen en Hong Kong, een één molecuul dikke laag wolfraam-disulfide supergeleidend gemaakt met behulp van een elektrisch veld. Door de veldsterkte steeds verder te verhogen konden ze laten zien dat het materiaal van een isolator verandert in een supergeleider en daarna opnieuw in een isolator. Hun metingen laten de typerende ‘koepelvormige’ supergeleidende fase zien; als eersten konden zij een verklaring geven voor dit fenomeen. De resultaten zijn gepubliceerd in Proceedings of the National Academy of Sciences.

Wolfraam-disulfide

Onder leiding van RUG adjunct-hoogleraar Justin Ye maakten zij met behulp van een elektrisch veld een supergeleider van het één atoomlaag dikke wolfraam disulfide (WS2), dat zich normaal gesproken gedraagt als een halfgeleider. In eerste instantie, wanneer er weinig ladingsdragers aanwezig zijn, is WS2 een isolator. Het elektrische veld pompt ladingsdragers in de isolerende band, waardoor de geleiding toeneemt. Bij een voldoende lage temperatuur kan op die manier ook supergeleiding optreden.

Temperatuur

In deze fase gaat de temperatuur waarbij er nog supergeleiding optreedt, in eerste instantie omhoog bij een toenemend elektrisch veld, maar als dit veld nog sterker wordt daalt die temperatuur weer. Dit soort koepelvormige curves zijn de afgelopen decennia waargenomen bij verschillende supergeleiders. Ze komen vooral voor bij hoge-temperatuur supergeleiders, waarvan de werking natuurkundigen nog voor tal van mysteries stelt. Onlangs is zo’n koepel voor het eerst ook gezien in enkele supergeleiders die werden ‘aangezet’ via een elektrisch veld. Ye en zijn collega’s zagen echter ook hoe bij een zeer sterk elektrisch veld het supergeleidende materiaal weer een isolator wordt.

Fasediagram

Die complete curve in het fasediagram, van isolator naar supergeleider en dan weer terug naar isolator, is niet eerder zo duidelijk gemeten. Dit is gelukt omdat een echt tweedimensionaal materiaal is gebruikt in combinatie met een ionische vloeistof om een elektrisch veld op te wekken dat veel sterker was dan in eerdere studies. Wat normaal gesproken gebeurt als ladingsdragers worden gepompt in materiaal van meer dan één atoomlaag is dat het elektrisch veld op zeker moment wordt geblokkeerd. De WS2-monolaag blijft het zeer sterke elektrische veld echter doorlaten. Zo kon de hele curve zichtbaar worden gemaakt.

Vastpinnen

Hierdoor konden de onderzoekers zien waarom die verschillende fasen verschijnen. Het idee is dat de ladingdragers in het materiaal uiteindelijk vastgepind worden door het sterke elektrische veld. Dan kunnen ze niet langer door het materiaal bewegen en dat maakt het materiaal tot een isolator.

Reacties worden ingeladen...
gerelateerde items