Onderzoekers melden een isolator gemaakt van twee geleiders

De wet van Ohm is bekend uit de natuurkundeles. Het stelt dat de weerstand van een geleider en de spanning die erop wordt toegepast bepalen hoeveel stroom door de geleider zal vloeien. De elektronen in het materiaal – de negatief geladen dragers – bewegen ongeordend en grotendeels onafhankelijk van elkaar. Natuurkundigen vinden het echter veel interessanter wanneer de ladingsdragers elkaar sterk genoeg beïnvloeden om dat simpele plaatje niet meer te laten kloppen.

Dit is bijvoorbeeld het geval in “Twisted Bilayer Graphene”, dat een paar jaar geleden werd ontdekt. Dat materiaal is gemaakt van twee flinterdunne grafeenlagen die elk uit een enkele laag koolstofatomen bestaan. Als twee aangrenzende lagen een beetje gedraaid zijn ten opzichte van elkaar, kunnen de elektronen zodanig worden beïnvloed dat ze sterk met elkaar interageren. Hierdoor kan het materiaal bijvoorbeeld supergeleidend worden en dus stroomloos stroom geleiden.

Een team van onderzoekers onder leiding van Klaus Ensslin en Thomas Ihn van het Laboratory for Solid State Physics aan de ETH Zürich, samen met collega’s van de Universiteit van Texas in Austin (VS), heeft nu een nieuwe staat waargenomen in gedraaide dubbele lagen grafeen. In die toestand zijn negatief geladen elektronen en positief geladen zogenaamde gaten, die ontbrekende elektronen in het materiaal, zo sterk met elkaar gecorreleerd dat het materiaal geen elektrische stroom meer geleidt.

Gedraaide grafeenlagen

“In conventionele experimenten, waarbij grafeenlagen ongeveer één graad ten opzichte van elkaar worden gedraaid, wordt de mobiliteit van de elektronen beïnvloed door kwantummechanische tunneling tussen de lagen”, legt Peter Rickhaus, een postdoc en hoofdauteur van de studie onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap. “In ons nieuwe experiment verdraaien we daarentegen twee dubbele lagen grafeen met meer dan twee graden ten opzichte van elkaar, zodat elektronen in wezen niet langer tussen de dubbele lagen kunnen tunnelen.”

Verhoogde weerstand door koppeling

Hierdoor kunnen door het aanleggen van een elektrisch veld in de ene dubbele laag elektronen ontstaan ​​en in de andere gaten. Zowel elektronen als gaten kunnen elektrische stroom geleiden. Daarom zou je verwachten dat de twee dubbele lagen van grafeen samen een nog betere geleider vormen met een kleinere weerstand.

Onder bepaalde omstandigheden kan echter precies het tegenovergestelde gebeuren, zoals Folkert de Vries, een postdoc in het team van Ensslin, uitlegt: “Als we het elektrische veld zo aanpassen dat hetzelfde aantal elektronen en gaten in de dubbele lagen, neemt de weerstand ineens sterk toe.” Gedurende enkele weken waren Ensslin en zijn medewerkers niet in staat om dat verrassende resultaat te begrijpen, maar uiteindelijk gaf hun theorie-collega Allan H. MacDonald uit Austin hen een beslissende hint: volgens MacDonald hadden ze een nieuw soort dichtheidsgolf waargenomen.

Zogenaamde ladingsdichtheidsgolven ontstaan ​​meestal in eendimensionale geleiders wanneer de elektronen in het materiaal collectief elektrische stroom geleiden en zich ook ruimtelijk in golven rangschikken. In het experiment van de ETH-onderzoekers zijn het nu de elektronen en gaten die met elkaar paren door elektrostatische aantrekking en zo een collectieve dichtheidsgolf vormen. Die dichtheidsgolf bestaat nu echter uit elektrisch neutrale elektron-gatparen, zodat de twee dubbele lagen samen geen elektrische stroom meer kunnen geleiden.

Nieuwe gecorreleerde status

“Dat is een volledig nieuwe gecorreleerde toestand van elektronen en gaten die geen totale lading heeft”, zegt Ensslin. “Deze neutrale toestand kan niettemin informatie doorgeven of warmte geleiden. Het bijzondere is bovendien dat we deze volledig kunnen beheersen door de draaihoek en de aangelegde spanning.” Soortgelijke toestanden zijn waargenomen in andere materialen waarin elektron-gatparen (ook bekend als excitonen) worden gecreëerd door middel van excitatie met laserlicht. In het experiment bij ETH bevinden de elektronen en gaten zich echter in hun grondtoestand, of toestand met de laagste energie, wat betekent dat hun levensduur niet wordt beperkt door spontaan verval.

Mogelijke toepassing in kwantumtechnologieën

Ensslin, die gespecialiseerd is in het onderzoek naar de elektronische eigenschappen van kleine kwantumsystemen, speculeert al over mogelijke praktische toepassingen voor de nieuwe gecorreleerde toestand. Dit zal echter behoorlijk wat voorbereidend werk vergen. Je zou de elektron-gat-paren kunnen opsluiten, bijvoorbeeld in een (Fabry-Pérot) resonator. Dat is veeleisend, omdat neutrale deeltjes niet direct kunnen worden gecontroleerd, bijvoorbeeld met elektrische velden. Het feit dat de toestand elektrisch neutraal is, kan aan de andere kant een voordeel blijken te zijn: het zou kunnen worden misbruikt om kwantumgeheugens minder gevoelig te maken voor elektrische veldruis.