De magie van supergeleiding in gedraaid grafeen ontmaskeren

De ontdekking in 2018 van supergeleiding in twee lagen grafeen van één atoom dik, gestapeld onder een precieze hoek van 1,1 graad (genaamd ‘magic’-angle twisted bilayer grafeen) kwam als een grote verrassing voor de wetenschappelijke gemeenschap. Sinds de ontdekking hebben natuurkundigen zich afgevraagd of de supergeleiding van magisch grafeen kan worden begrepen met behulp van bestaande theorie, of dat er fundamenteel nieuwe benaderingen nodig zijn, zoals die welke worden opgesteld om de mysterieuze keramische verbinding te begrijpen die supergeleidt bij hoge temperaturen. Nu, zoals gerapporteerd in het tijdschrift Natuur, hebben Princeton-onderzoekers dit debat beslecht door een griezelige gelijkenis aan te tonen tussen de supergeleiding van magisch grafeen en die van supergeleiders bij hoge temperaturen. Magisch grafeen kan de sleutel zijn tot het ontsluiten van nieuwe mechanismen van supergeleiding, waaronder supergeleiding bij hoge temperaturen.

Ali Yazdani, de Class of 1909 Professor of Physics en directeur van het Center for Complex Materials aan de Princeton University leidde het onderzoek. Hij en zijn team hebben in de loop der jaren veel verschillende soorten supergeleiders bestudeerd en hebben onlangs hun aandacht gericht op magisch dubbellaags grafeen.

“Sommigen hebben beweerd dat magisch dubbellaags grafeen eigenlijk een gewone supergeleider is, vermomd in een buitengewoon materiaal,” zei Yazdani, “maar toen we het microscopisch onderzochten, heeft het veel van de kenmerken van cuprate-supergeleiders bij hoge temperatuur. Het is een déjà vu-moment.”

Supergeleiding is een van de meest intrigerende fenomenen van de natuur. Het is een toestand waarin elektronen vrij kunnen stromen zonder enige weerstand. Elektronen zijn subatomaire deeltjes die negatieve elektrische ladingen dragen; ze zijn essentieel voor onze manier van leven omdat ze onze dagelijkse elektronica aandrijven. Onder normale omstandigheden gedragen elektronen zich grillig, springen en verdringen tegen elkaar op een manier die uiteindelijk inefficiënt is en energie verspilt.

Maar onder supergeleiding paren elektronen plotseling en beginnen ze als een golf te stromen. In deze toestand verliezen de elektronen niet alleen geen energie, maar vertonen ze ook veel nieuwe kwantumeigenschappen. Deze eigenschappen hebben een aantal praktische toepassingen mogelijk gemaakt, waaronder magneten voor MRI’s en deeltjesversnellers, evenals bij het maken van kwantumbits die worden gebruikt om kwantumcomputers te bouwen. Supergeleiding werd voor het eerst ontdekt bij extreem lage temperaturen in elementen zoals aluminium en niobium. In de afgelopen jaren is het gevonden in de buurt van kamertemperatuur onder buitengewoon hoge druk, en ook bij temperaturen net boven het kookpunt van vloeibare stikstof (77 graden Kelvin) in keramische verbindingen.

Maar niet alle supergeleiders zijn gelijk gemaakt.

Supergeleiders gemaakt van pure elementen zoals aluminium zijn wat onderzoekers conventioneel noemen. De supergeleidende toestand – waar de elektronen aan elkaar paren – wordt verklaard door wat de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) -theorie wordt genoemd. Dit is de standaardbeschrijving van supergeleiding die al sinds het einde van de jaren vijftig bestaat. Maar vanaf het einde van de jaren tachtig werden nieuwe supergeleiders ontdekt die niet voldeden aan de BCS-theorie. Het meest opvallend van deze “onconventionele” supergeleiders zijn de keramische koperoxiden (cuprates genaamd) die de afgelopen dertig jaar een raadsel zijn gebleven.

De oorspronkelijke ontdekking van supergeleiding in magisch dubbellaags grafeen door Pablo Jarillo-Herrero en zijn team van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) toonde aan dat het materiaal eerst als een isolator begint, maar met een kleine toevoeging van ladingsdragers supergeleidend wordt. De opkomst van supergeleiding uit een isolator, in plaats van een metaal, is een van de kenmerken van veel onconventionele supergeleiders, waaronder de meest bekende cuprates.

“Ze vermoedden dat supergeleiding onconventioneel zou kunnen zijn, zoals de cuprates, maar ze hadden helaas geen specifieke experimentele metingen van de supergeleidende toestand om deze conclusie te ondersteunen”, zegt Myungchul Oh, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker en een van de hoofdco-auteurs van de krant.

Om de supergeleidende eigenschappen van magisch dubbellaags grafeen te onderzoeken, gebruikten Oh en zijn collega’s een scanning tunneling microscope (STM) om de oneindig kleine en complexe wereld van elektronen te bekijken. Dit apparaat is gebaseerd op een nieuw fenomeen dat ‘kwantumtunneling’ wordt genoemd, waarbij elektronen tussen de scherpe metalen punt van de microscoop en het monster worden geleid. De microscoop gebruikt deze tunnelstroom in plaats van licht om de wereld van elektronen op atomaire schaal te bekijken.

“STM is een perfect hulpmiddel om dit soort experimenten uit te voeren”, zegt Kevin Nuckolls, een afgestudeerde student natuurkunde en een van de belangrijkste co-auteurs van het artikel. “Er zijn veel verschillende metingen die STM kan doen. Het heeft toegang tot fysieke variabelen die normaal gesproken niet toegankelijk zijn voor anderen [experimental techniques].”

Toen het team de gegevens analyseerde, merkten ze twee belangrijke kenmerken, of “handtekeningen”, op die opvielen, wat hen erop wees dat het magische dubbellaagse grafeenmonster onconventionele supergeleiding vertoonde. De eerste signatuur was dat de gepaarde elektronen die supergeleidend zijn een eindig impulsmoment hebben, een gedrag dat analoog is aan dat van twintig jaar geleden in de hoge temperatuur cuprates. Wanneer paren worden gevormd in een conventionele supergeleider, hebben ze geen netto impulsmoment, op een manier die analoog is aan een elektron dat is gebonden aan het waterstofatoom in de s-orbitaal van waterstof.

STM werkt door elektronen in en uit het monster te tunnelen. In een supergeleider, waar alle elektronen gepaard zijn, is de stroom tussen het monster en de STM-tip alleen mogelijk als de paren van de supergeleider uit elkaar worden gehaald. “Het kost energie om het paar uit elkaar te halen, en de energie-afhankelijkheid van deze stroom hangt af van de aard van de koppeling. In magisch grafeen vonden we de energie-afhankelijkheid die wordt verwacht voor het koppelen van eindige impulsen,” zei Yazdani. “Deze bevinding beperkt sterk het microscopische mechanisme van paren in magisch grafeen.”

Het Princeton-team ontdekte ook hoe magisch dubbellaags grafeen zich gedraagt ​​wanneer de supergeleidende toestand wordt gedoofd door de temperatuur te verhogen of een magnetisch veld aan te leggen. In conventionele supergeleiders is het materiaalgedrag hetzelfde als dat van een normaal metaal wanneer supergeleiding wordt gedood – de elektronen ontkoppelen. In onconventionele supergeleiders lijken de elektronen echter enige correlatie te behouden, zelfs als ze niet supergeleidend zijn, een situatie die zich manifesteert wanneer er ongeveer een drempelenergie is voor het verwijderen van elektronen uit het monster. Natuurkundigen noemen deze drempelenergie een “pseudogap”, een gedrag dat wordt aangetroffen in de niet-supergeleidende toestand van veel onconventionele supergeleiders. De oorsprong ervan is al meer dan twintig jaar een mysterie.

“Een mogelijkheid is dat elektronen nog steeds enigszins aan elkaar zijn gekoppeld, ook al is het monster niet supergeleidend”, zei Nuckolls. “Zo’n pseudogap-toestand is als een mislukte supergeleider.”

De andere mogelijkheid, vermeld in de Natuur papier, is dat een andere vorm van collectieve elektronische toestand, die verantwoordelijk is voor de pseudokloof, eerst moet worden gevormd voordat supergeleiding kan optreden.

“Hoe dan ook, de gelijkenis van een experimentele handtekening van een peusdogap met de cuprates en het koppelen van eindige momentum kan niet allemaal toeval zijn,” zei Yazdani. “Deze problemen lijken erg verwant.”

Toekomstig onderzoek, zei Oh, zal proberen te begrijpen waardoor elektronen paren in onconventionele supergeleiding – een fenomeen dat natuurkundigen blijft kwellen. De BCS-theorie is gebaseerd op een zwakke interactie tussen elektronen, waarbij hun koppeling mogelijk wordt gemaakt door hun onderlinge interactie met de onderliggende vibratie van de ionen. Het paren van elektronen in onconventionele supergeleiders is echter vaak veel sterker dan in eenvoudige metalen, maar de oorzaak – de “lijm” die ze aan elkaar bindt – is momenteel niet bekend.

“Ik hoop dat ons onderzoek de natuurkundige gemeenschap zal helpen om de mechanica van onconventionele supergeleiding beter te begrijpen,” zei Oh. “We hopen verder dat ons onderzoek experimentele natuurkundigen zal motiveren om samen te werken om de aard van dit fenomeen te ontdekken.”

De studie, “Evidence for Unconventional Superconductivity in Twisted Bilayer Graphene”, werd op 20 oktober 2021 gepubliceerd in het tijdschrift Natuur.