Een nieuwe kwantumcomponent gemaakt van grafeen

Minder dan 20 jaar geleden creëerden Konstantin Novoselov en Andre Geim voor het eerst tweedimensionale kristallen die uit slechts één laag koolstofatomen bestonden. Dit materiaal, dat bekend staat als grafeen, heeft sindsdien een behoorlijke carrière achter de rug.

Vanwege zijn uitzonderlijke sterkte wordt grafeen tegenwoordig gebruikt om producten zoals tennisrackets, autobanden of vliegtuigvleugels te versterken. Maar het is ook een interessant onderwerp voor fundamenteel onderzoek, aangezien natuurkundigen steeds nieuwe, verbazingwekkende verschijnselen ontdekken die niet in andere materialen zijn waargenomen.

De juiste draai

Bilayer grafeenkristallen, waarin de twee atomaire lagen iets ten opzichte van elkaar zijn geroteerd, zijn vooral interessant voor onderzoekers. Ongeveer een jaar geleden kon een team van onderzoekers onder leiding van Klaus Ensslin en Thomas Ihn van het ETH Zürich’s Laboratory for Solid State Physics aantonen dat gedraaid grafeen kan worden gebruikt om Josephson-juncties te creëren, de fundamentele bouwstenen van supergeleidende apparaten.

Op basis van dit werk waren onderzoekers nu in staat om het eerste supergeleidende kwantuminterferentieapparaat, of SQUID, te produceren uit gedraaid grafeen om de interferentie van supergeleidende quasideeltjes aan te tonen. Conventionele SQUID’s worden al gebruikt, bijvoorbeeld in de geneeskunde, geologie en archeologie. Hun gevoelige sensoren zijn in staat om zelfs de kleinste veranderingen in magnetische velden te meten. SQUID’s werken echter alleen in combinatie met supergeleidende materialen, dus ze moeten tijdens gebruik worden gekoeld met vloeibaar helium of stikstof.

In kwantumtechnologie kunnen SQUID’s kwantumbits (qubits) hosten; dat wil zeggen, als elementen voor het uitvoeren van kwantumbewerkingen. “SQUID’s zijn voor supergeleiding wat transistors zijn voor halfgeleidertechnologie – de fundamentele bouwstenen voor complexere circuits”, legt Ensslin uit.

Het spectrum wordt breder

De grafeen SQUID’s gemaakt door promovendus Elías Portolés zijn niet gevoeliger dan hun conventionele tegenhangers gemaakt van aluminium en moeten ook worden afgekoeld tot temperaturen lager dan 2 graden boven het absolute nulpunt. “Het is dus geen doorbraak voor SQUID-technologie als zodanig”, zegt Ensslin. Het verbreedt echter het toepassingsspectrum van grafeen aanzienlijk. “Vijf jaar geleden konden we al laten zien dat grafeen kan worden gebruikt om transistors met één elektron te bouwen. Nu hebben we supergeleiding toegevoegd”, zegt Ensslin.

Opmerkelijk is dat het gedrag van grafeen gericht kan worden gestuurd door een elektrode voor te buigen. Afhankelijk van de aangelegde spanning kan het materiaal isolerend, geleidend of supergeleidend zijn. “Het rijke spectrum aan mogelijkheden die de vastestoffysica biedt, staat tot onze beschikking”, zegt Ensslin.

Ook interessant is dat de twee fundamentele bouwstenen van een halfgeleider (transistor) en een supergeleider (SQUID) nu gecombineerd kunnen worden in één materiaal. Dit maakt het mogelijk om nieuwe controle-operaties te bouwen. “Normaal gesproken is de transistor gemaakt van silicium en de SQUID van aluminium”, zegt Ensslin. “Dit zijn verschillende materialen die verschillende verwerkingstechnologieën vereisen.”

Een uiterst uitdagend productieproces

Supergeleiding in grafeen werd vijf jaar geleden ontdekt door een MIT-onderzoeksgroep, maar er zijn wereldwijd slechts een tiental experimentele groepen die naar dit fenomeen kijken. Nog minder zijn in staat om supergeleidend grafeen om te zetten in een functionerend onderdeel.

De uitdaging is dat wetenschappers verschillende delicate werkstappen achter elkaar moeten uitvoeren: eerst moeten ze de grafeenplaten precies in de juiste hoek ten opzichte van elkaar uitlijnen. De volgende stappen omvatten dan het aansluiten van elektroden en het etsen van gaten. Als het grafeen zou worden opgewarmd, zoals vaak gebeurt tijdens cleanroom-verwerking, verdwijnen de twee lagen opnieuw en de draaihoek verdwijnt. “De hele standaard halfgeleidertechnologie moet opnieuw worden aangepast, waardoor dit een uiterst uitdagende klus is”, zegt Portolés.

De visie van hybride systemen

Ensslin denkt een stap vooruit. Er worden momenteel nogal wat verschillende qubit-technologieën beoordeeld, elk met zijn eigen voor- en nadelen. Dit wordt voor het grootste deel gedaan door verschillende onderzoeksgroepen binnen het National Center of Competence in Quantum Science and Technology (QSIT). Als wetenschappers erin slagen om twee van deze systemen te koppelen met behulp van grafeen, is het misschien mogelijk om hun voordelen ook te combineren. “Het resultaat zou twee verschillende kwantumsystemen op hetzelfde kristal zijn”, zegt Ensslin.

Dit zou ook nieuwe mogelijkheden opleveren voor onderzoek naar supergeleiding. “Met deze componenten kunnen we misschien beter begrijpen hoe supergeleiding in grafeen in de eerste plaats tot stand komt”, voegt hij eraan toe. “Alles wat we vandaag weten, is dat er verschillende fasen van supergeleiding in dit materiaal zijn, maar we hebben nog geen theoretisch model om ze te verklaren.”

De studie is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie.