Een materiaaltoetsenbord gemaakt van grafeen

Onderzoekers van ETH Zürich zijn erin geslaagd om speciaal geprepareerde grafeenvlokken ofwel in isolatoren ofwel in supergeleiders te veranderen door een elektrische spanning aan te leggen. Deze techniek werkt zelfs lokaal, wat betekent dat in dezelfde grafeen vlokgebieden met totaal verschillende fysische eigenschappen naast elkaar kunnen worden gerealiseerd.

Voor de productie van moderne elektronische componenten zijn materialen nodig met zeer uiteenlopende eigenschappen. Zo zijn er isolatoren die geen elektrische stroom geleiden, en supergeleiders die deze zonder verlies transporteren. Om een ​​bepaalde functionaliteit van een component te verkrijgen, moet men meestal meerdere van dergelijke materialen samenvoegen. Dat is vaak niet eenvoudig, vooral als het gaat om nanostructuren die tegenwoordig veel worden gebruikt. Een team van onderzoekers van de ETH Zürich onder leiding van Klaus Ensslin en Thomas Ihn van het Laboratory for Solid State Physics is er nu in geslaagd een materiaal zich afwisselend te laten gedragen als een isolator of als een supergeleider – of zelfs als beide op verschillende locaties in hetzelfde materiaal – door simpelweg een elektrische spanning aan te leggen. Hun resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur Nanotechnologie. Het werk werd ondersteund door het National Center of Competence in Research QSIT (Quantum Science and Technology).

Grafeen met een magische hoek

Het materiaal dat Ensslin en zijn medewerkers gebruiken, draagt ​​de ietwat omslachtige naam “Magic Angle Twisted Bilayer Graphene.” In feite verbergt deze naam iets vrij eenvoudigs en bekends, namelijk koolstof – zij het in een bepaalde vorm en met een speciale twist. Het uitgangspunt voor het materiaal zijn grafeenvlokken, dit zijn koolstoflagen die slechts één atoom dik zijn. De onderzoekers legden twee van die lagen zo op elkaar dat hun kristalassen niet parallel lopen, maar een “magische hoek” van precies 1,06 graden. “Dat is best lastig, en we moeten tijdens de productie ook de temperatuur van de vlokken nauwkeurig regelen. Hierdoor gaat het vaak mis,” legt Peter Rickhaus uit, die als postdoc bij de experimenten betrokken was.

Bij twintig procent van de pogingen lukt het echter en creëren de atomaire kristalroosters van de grafeenvlokken dan een zogenaamd moiré-patroon waarin de elektronen van het materiaal zich anders gedragen dan in gewoon grafeen. Moiré-patronen zijn bijvoorbeeld bekend van de televisie, waar het samenspel tussen een kledingstuk met een patroon en de scanlijnen van het televisiebeeld tot interessante optische effecten kan leiden. Bovenop de magische hoekgrafeenvlokken bevestigen de onderzoekers verschillende extra elektroden waarmee ze een elektrische spanning op het materiaal kunnen zetten. Als ze dan alles afkoelen tot een paar honderdsten van een graad boven het absolute nulpunt, gebeurt er iets opmerkelijks. Afhankelijk van de aangelegde spanning gedragen de grafeenvlokken zich op twee totaal tegenovergestelde manieren: als supergeleider of als isolator. Deze schakelbare supergeleiding werd in 2018 al gedemonstreerd aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in de VS. Zelfs vandaag de dag zijn slechts enkele groepen wereldwijd in staat om dergelijke monsters te produceren.

Isolator en supergeleider in hetzelfde materiaal

Ensslin en zijn collega’s gaan nu nog een stap verder. Door verschillende spanningen op de afzonderlijke elektroden aan te brengen, veranderen ze het magische hoekgrafeen op één plek in een isolator, maar een paar honderd nanometer naar één kant wordt het een supergeleider.

“Toen we dat zagen, probeerden we natuurlijk eerst een Josephson-kruising te realiseren,” zegt Fokko de Vries, die ook postdoc is in het laboratorium van Ensslins. In dergelijke juncties worden twee supergeleiders gescheiden door een flinterdunne isolatielaag. Op deze manier kan de stroom niet rechtstreeks tussen de twee supergeleiders stromen, maar moet hij kwantummechanisch door de isolator tunnelen. Dat zorgt er op zijn beurt voor dat de geleidbaarheid van het contact op een karakteristieke manier varieert als functie van de stroom, afhankelijk van het feit of er gelijkstroom of wisselstroom wordt gebruikt.

Mogelijke toepassingen in kwantumtechnologieën

De ETH-onderzoekers slaagden erin om een ​​Josephson-junctie te produceren in de grafeenvlokken die door de magische hoek waren gedraaid door verschillende spanningen te gebruiken die op de drie elektroden werden toegepast, en ook om de eigenschappen ervan te meten. “Nu dat ook werkt, kunnen we onze handen uitproberen op meer complexe apparaten zoals SQUID’s,” zegt de Vries. In SQUIDs (“supergeleidend kwantuminterferentie-apparaat”) twee Josephson-knooppunten zijn verbonden om een ​​ring te vormen. Praktische toepassingen van dergelijke apparaten zijn metingen van kleine magnetische velden, maar ook moderne technologieën zoals kwantumcomputers. Voor mogelijke toepassingen in kwantumcomputers is een interessant aspect dat met behulp van de elektroden de grafeenvlokken niet alleen in isolatoren en supergeleiders kunnen worden omgezet, maar ook in magneten of zogenaamde topologische isolatoren, waarin stroom slechts in één kan stromen. richting langs de rand van het materiaal. Dit zou kunnen worden benut om verschillende soorten kwantumbits (qubits) in één apparaat te realiseren.

Een toetsenbord voor materialen

“Tot nu toe is dat echter slechts speculatie,” Ensslin zegt. Toch is hij enthousiast over de mogelijkheden die ook nu nog uit de elektrische bediening voortkomen. “Met de elektroden kunnen we praktisch piano spelen op het grafeen.” De natuurkundigen hopen onder meer dat dit hen zal helpen om nieuwe inzichten te krijgen in de gedetailleerde mechanismen die supergeleiding teweegbrengen in magisch hoekgrafeen.