Supergeleiding en relativiteitsleer – twee van de grootste ontdekkingen in de natuurkunde van de vorige eeuw – hadden tot voor kort weinig met elkaar van doen. Onderzoekers van het Kavli Instituut voor Nanoscience van de TU Delft en de Stichting FOM hebben nu voor het eerst supergeleiding waargenomen in een materiaal met massaloze, relativistische elektronen. Ook werkt hun apparaat, van grafeen en supergeleidende draden, als een transistor (schakelaar) voor supergeleidende stromen. De onderzoekers publiceren hun doorbraak op 1 maart 2007 in het tijdschrift Nature.

Opname van een laag grafeen verbonden met supergeleiders, gemaakt met een atomaire-krachtmicroscoop. De afstand tussen de supergeleiders is telkens 300 nanometer (300 miljardste meter).

Nature

Dunne laagjes potloodstreep

Een potlood laat op papier een streep van dunne laagjes grafiet achter. Dat gaat zo eenvoudig, omdat grafiet bestaat uit een sandwich van makkelijk schuivende koolstoflagen. De dikte van grafiet op papier varieert van enkele duizenden laagjes tot slechts een paar laagjes dik. Onderzoekers in Manchester slaagden er in 2004 voor het eerst in om één enkele laag grafiet te isoleren: grafeen. Sindsdien is wereldwijd belangstelling voor het materiaal ontstaan vanwege zijn bijzondere elektrische eigenschappen.

Elektronen, de deeltjes in elektrische stroom, lijken in grafeen bijvoorbeeld massaloos. Natuurlijk zijn de elektronen niet radicaal afgevallen, maar de wisselwerking in een grafeenlaag geeft ze wél eigenschappen zoals alleen gewichtloze lichtdeeltjes hebben. In grafeen bewegen elektronen zich volgens de regels van Einsteins relativiteitsleer altijd met één en dezelfde snelheid, zoals licht altijd de lichtsnelheid heeft.

Een driedimensionele weergave van een opname van een laag grafeen verbonden met supergeleiders, gemaakt met een atomaire-krachtmicroscoop. De afstand tussen de supergeleiders is telkens 300 nanometer.

Nature

Hubert Heersche, Pablo Jarillo-Herrero en hun collega’s hebben grafeen gekoppeld aan een supergeleider. In een supergeleider verdwijnt de elektrische weerstand bij lage temperaturen volledig. Dit betekent dat een elektrische stroom kan blijven lopen zonder dat er een spanning wordt aangelegd (natuurkundigen noemen dit een superstroom). Wanneer grafeen, dat zelf geen supergeleidende eigenschappen heeft, gekoppeld wordt aan een supergeleider, kan het zich toch als een supergeleider gedragen. Dit effect is al in vele andere niet supergeleidende materialen aangetoond, en staat bekend als het Josephson-effect. De Delftse onderzoekers hebben nu aangetoond dat ook de ‘massaloze’ elektronen in grafeen voor een superstroom kunnen zorgen, en daarmee voor het eerst het relativistische Josephson-effect gemeten.

Superstroom-transistor

Heersche en zijn collega’s lieten ook zien dat grafeen kan dienen als superstroom-transistor. Een transistor is een elektronisch apparaat dat stroom al dan niet doorlaat, afhankelijk van het signaal dat binnenkomt op de zogenaamde ‘gate’-elektrode. Heersche en collega’s hebben nu een apparaatje gemaakt waarin een supergeleidende elektronenstroom regelbaar is met een spanning: een superstroom-transistor.

Koolstof elektronica

Het werk waarover de onderzoekers nu publiceren is onderdeel van een project waarin het Delftse team de elektrische eigenschappen van grafeen onderzoekt. Wereldwijd wordt er veel onderzoek gedaan naar grafeen omdat verwacht wordt dat het een belangrijke rol kan spelen in de elektronica van de toekomst. Ook grote bedrijven zijn geïnteresseerd in koolstof elektronica. Dit komt doordat grafeen in een aantal opzichten superieure eigenschappen heeft in vergelijking met conventionele materialen zoals silicium. Heersche verwacht dat grafeen voorlopig vooral een fascinerend materiaal is voor fundamenteel onderzoek. Het samenkomen van supergeleiding en relativiteit toont dat eens te meer aan.