Wetenschappers hebben definitief bevestigd dat speciaal gedraaide lagen grafeen supergeleiding vertonen, een fenomeen waarbij materialen elektriciteit geleiden zonder weerstand. De nieuwste bevindingen, gepubliceerd in Science op 6 november, versterken het argument dat dit “magische hoek”-grafeen tot een raadselachtige klasse van supergeleiders behoort die conventionele verklaringen tarten. Deze ontdekking zou een cruciale stap kunnen zijn in het begrijpen en ontwikkelen van supergeleiders die functioneren onder minder extreme omstandigheden, mogelijk zelfs bij kamertemperatuur.
De puzzel van onconventionele supergeleiding
Supergeleiders zijn al lang gewild vanwege hun efficiëntie bij de energieoverdracht, maar de meeste hebben extreem lage temperaturen nodig om te kunnen werken. Conventionele supergeleiders zijn afhankelijk van elektronen die paren via interacties met de atomaire structuur van het materiaal. In de jaren tachtig ontdekten onderzoekers echter materialen – zoals cuprates – die supergeleidend waren op manieren die dit model niet kon verklaren. Deze onconventionele supergeleiders worden nog steeds slecht begrepen, maar bieden toch potentieel voor meer praktische toepassingen.
Hoe gedraaid grafeen erin past
De sleutel ligt in het stapelen van grafeenvellen (enkellaags koolstof) en deze in een precieze ‘magische hoek’ te draaien. In 2018 observeerden onderzoekers onder leiding van Pablo Jarillo-Herrero voor het eerst supergeleiding in deze configuratie, maar definitief bewijs bleef ongrijpbaar. Nu heeft het team overtuigend bewijs geleverd dat drielaags gedraaid grafeen zich gedraagt als andere onconventionele supergeleiders, inclusief de aanwezigheid van knooppunten in zijn energiekloof.
Knooppunten betekenen dat elektronen in bepaalde richtingen niet in paren zijn gebonden (Cooper-paren) – een kenmerk van veel onconventionele materialen. De energiekloof, die bepaalt hoeveel energie er nodig is om die paren te verbreken, varieert afhankelijk van het momentum van de elektronen. Dit gedrag werd bevestigd door het creëren van een grafeen-isolator-grafeen sandwich en het meten van elektronentunneling, waardoor de structuur van de energiekloof aan het licht kwam.
Eenvoud als voordeel
De aantrekkingskracht van magischehoekgrafeen ligt niet alleen in de supergeleidende eigenschappen, maar ook in de eenvoud. ‘Dit is een chemisch ongerept systeem. Het is gewoon koolstof’, legt natuurkundige Ali Yazdani uit. In tegenstelling tot complexe cuprates biedt grafeen een schonere omgeving voor het bestuderen van de fundamentele fysica van onconventionele supergeleiding.
Het pad voorwaarts
De groeiende consensus onder wetenschappers – ondersteund door meerdere experimentele bevestigingen – suggereert dat gedraaid grafeen de ideale proeftuin zou kunnen zijn voor het ontwikkelen van een verenigende theorie van onconventionele supergeleiding. Als onderzoekers de onderliggende mechanismen kunnen ontcijferen, kunnen ze materialen ontwikkelen die supergeleidend zijn bij hogere temperaturen, wat een revolutie teweegbrengt in de energietechnologie.
Hoe consistenter het bewijsmateriaal uit verschillende experimenten, hoe dichter we bij een doorbraak komen. Als we begrijpen hoe deze materialen werken, zullen er mogelijkheden ontstaan die we ons nog niet eens hadden kunnen voorstellen.
