Superkoolstof: supergeleiding en relativiteitsleer komen samen in monolaag van grafiet
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 Technische Universiteit Delft en de Stichting FOM hebben nu voor het eerst supergeleiding waargenomen in een materiaal met massaloze, relativistische elektronen. Tevens werkt hun device, bestaand uit grafeen verbonden met supergeleiders, als een bipolaire transistor voor supergeleidende stromen. De onderzoekers publiceren deze wetenschappelijke doorbraak op 1 maart 2007 in het tijdschrift Nature.
Wanneer je met een potlood een streep zet op papier, blijven daar dunne laagjes grafiet op achter. Dat gaat zo eenvoudig, omdat grafiet bestaat uit een stapeling van koolstoflagen, die heel makkelijk over elkaar kunnen schuiven. De dikte van het grafiet dat achterblijft op het 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 een overweldigende belangstelling voor dit materiaal ontstaan vanwege zijn zeer bijzondere elektrische eigenschappen. Fascinerend genoeg lijken elektronen in grafeen massaloos. Natuurlijk zijn de elektronen zelf niet echt massaloos, maar door hun interactie met de atomen gedragen ze zich in grafeen wel zo. Dat betekent dat ze eigenschappen hebben die alleen met de relativiteitsleer van Einstein verklaard kunnen worden. Zo bewegen elektronen in grafeen zich, net als licht, met een constante snelheid voort.
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 massaloze elektronen voor een superstroom kunnen zorgen, en daarmee voor het eerst het relativistische Josephson-effect gemeten.
Superstroom-transistor
De onderzoekers hebben ook laten zien dat grafeen kan dienen als superstroom-transistor. Een transistor is een elektronische component waarin de stroom geregeld kan worden door een spanning op een zogenaamde 'gate'-elektrode. Analoog hebben Heersche en collega's een device gemaakt waarin de superstroom regelbaar is met een spanning: een superstroom-transistor.
Een conventionele transistor is gemaakt van een halfgeleider. Grafeen is echter geen halfgeleider, maar een halfmetaal. Dit betekent dat niet alleen de grootte van de superstroom geregeld kan worden, maar ook het soort ladingsdragers. Dit kunnen elektronen zijn (met een negatieve lading) of gaten (met een positieve lading). Het Delftse team heeft daarmee voor het eerst een bipolaire superstroom-transistor gemaakt.
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.
Meer informatie bij dr.ir. Hubert Heersche, telefoon (015) 278 60 85 of bij dr.ir. Alberto Morpurgo, telefoon (015) 278 60 63.
Het artikel is getiteld "Bipolar supercurrent in graphene"; de auteurs zijn naast Hubert Heersche en Pablo Jarillo-Herrero, Jeroen Oostinga, Lieven Vandersypen en Alberto Morpurgo. Het verschijnt in de Nature van 1 maart 2007.