Universiteit Leiden

nl en

Op zoek naar de magische hoek

Stapel twee laagjes grafeen, draai ze een klein stukje ten opzichte van elkaar, en het ¬materiaal wordt spontaan een supergeleider. Het ¬antwoord op de vraag hoe zoiets magisch kan ontstaan heeft de wetenschap nog niet gevonden, maar natuurkundigen laten met speciale apparatuur zien wat er onder het oppervlak gebeurt.

Dit artikel verscheen eerder in Leidraad, ons gratis alumni-magazine.

Supergeleiding is een onderwerp dat al generaties wetenschappers boeit, sinds het ruim honderd jaar geleden voor het eerst werd gezien in het Leidse laboratorium van Nobelprijswinnaar Heike Kamerlingh Onnes. Hij koelde kwik richting het absolute nulpunt, en plots viel alle weerstand weg. Breng je in zo’n superkoud metaal een elektrisch stroompje op gang, dan blijft dat eindeloos door­lopen, totdat de koeling wegvalt.

Koeling wil zeggen: in de buurt van de 270 graden onder nul, de temperatuur waarbij helium vloeibaar is. Dat is kostbaar en ingewikkeld, dus zijn praktische toepassingen van supergeleiding tot nu toe beperkt tot de magneten in MRI-scanners in ziekenhuizen.

Natuurkundigen zoeken ondertussen naar ‘warme’ supergeleiders, die met minder koeling toekunnen. Zo zijn er keramische materialen ontwikkeld die supergeleidend worden bij minus 140. Dat is een stap vooruit, maar nog niet genoeg. Bovendien zijn er nog veel vraagtekens. Wat er precies gebeurt binnen in die ­materialen, is een vraag waar Leidse onderzoekers Tjerk Benschop en Sense Jan van der Molen een antwoord op willen vinden.

De geschiedenis heeft geleerd dat die zoektocht tijd kan kosten, zegt Van der Molen, hoogleraar fysica van de gecondenseerde materie. ‘Supergeleiding werd door Kamerlingh Onnes in 1911 ontdekt maar het heeft tot 1957 geduurd voordat er een goede verklarende theorie werd gepubliceerd. En die nieuwe keramische super­geleiders zijn nog steeds niet helemaal begrepen. Zelfs voor natuurkundigen is het ingewikkeld. Dat is ook de insteek geweest van onze samenwerking: laten we een relatief simpel materiaal nemen om experimenten mee te doen: grafeen.’

Promovendus Tjerk Benschop: ‘Het bijzondere is dat de fase-overgang naar supergeleiding bij grafeen lijkt op die van de keramische supergeleiders. Het idee is dat we door grafeen te bestuderen meer kunnen leren over wat er in andere supergeleiders gebeurt.’

Nieuwe draai

Grafeen heeft iedereen in huis, de grafieten kern van een potlood is opgebouwd uit eindeloos veel laagjes grafeen, waarin koolstofatomen netjes in een honingraatstructuur liggen. Van der Molen: ‘Dubbellaags grafeen heeft bijzondere eigenschappen; je kunt er letterlijk een nieuwe draai aan geven. Als je twee laagjes ­grafeen een klein stukje ten ­opzichte van elkaar draait, dan ontstaat opeens een supergeleidend mate­riaal. En als je de hoek tussen de laagjes een stukje groter maakt, dan is dat verschijnsel weer weg. Daar zit veel ingewikkelde natuurkunde achter, en in sommige opzichten is het nog niet goed te verklaren.’

Benschop: ‘Het klinkt een beetje gek, maar bij een magische hoek van 1,1 graden beginnen elektronen in de twee laagjes elkaar meer te ­voelen; ze kunnen interacties met elkaar aangaan. Dat zorgt voor ­bijzondere eigenschappen, waaronder super­geleiding. Waarom dat gebeurt is ingewikkeld om uit te leggen, omdat er veel natuurkundige denkstappen ­tussen zitten. Wij praten bijvoorbeeld over banden van elektronen, en dat is niet eenvoudig voor te stellen.’

Vlakke band

Een internationaal gezelschap van onderzoekers heeft de supergeleidende grafeensandwich gedetailleerd in kaart gebracht met verschillende meettechnieken. Ze combineerden expertise op het vlak van supergeleiding van Benschops promotor Milan Allan en collega Felix Baumberger in Zwitserland met Van der Molens grafeen-onderzoek. ‘Als je heel nauw­keurig meet, kun je zelfs achterhalen in wat voor toestanden de elektronen in het materiaal zitten. Het aantonen dat elektronen bij de magische hoek vrijwel stil gaan staan, in een zogenoemde vlakke band, was nog niemand gelukt. En het is echt veel werk geweest.’

Benschop: ‘Ik heb op een gegeven moment mijn kerstvakantie opgeofferd om plaatjes van twisted grafeen te maken. Het moeilijke van mijn techniek is dat je pas nauwkeurig kunt meten als het oppervlak van het grafeen superschoon is. Je scant met een microscopisch klein naaldje vlak boven het oppervlak. En zodra er ook maar ergens één molecuul vervuiling kleeft, mislukt je meting. Daar had ik in het begin veel last van, om stap voor stap uit te vinden wat het beste werkt. Om goed te meten moet het oppervlak van het grafeen heel schoon zijn. Daarom meten we bijvoorbeeld in ultrahoogvacuüm. In de meetkamer zweven minder deeltjes dan in de ruimte.’

Eureka-moment

De piepkleine preparaten met dubbel­laags gedraaid grafeen werden gemaakt door collega-natuurkundigen in Barcelona. Dat is namelijk een kunst op zich. ‘Het mooie van wetenschap is dat je via publicaties en ­conferenties mensen tegenkomt en samen nieuwe ideeën opdoet’, zegt Van der Molen. ‘In dit geval waren echt vier onderzoeksgroepen nodig om dit tot een succes te maken.’

Na lange dagen in het lab, en geduldig herhalen en verbeteren, volgde eindelijk toch een eureka-moment, zegt Benschop. ‘Je werkt er lang naartoe, en hoopt dat je uiteindelijk een goede meting kunt doen. Op het moment dat je dan de atomaire structuur van het grafeen ziet verschijnen op je beeldscherm, met dat mooie patroon dat hoort bij de juiste draaihoek, dan is dat wel bijzonder.’

Zodra de twee laagjes grafeen ten opzichte van elkaar draaien wordt opeens een grotere honingraatstructuur zichtbaar. Die spontane patroonvorming of moiré-effect is ook te zien als je twee dunne laagjes zijde over elkaar schuift. Van der Molen: ‘Dat patroon is meer dan alleen gezichtsbedrog, er ontstaat echt een ­nieuwe structuur. Elektronen krijgen zo ­nieuwe gebiedjes waarin ze kunnen bewegen.’

Zullen er ooit chips met magisch draai-grafeen in computers of smart­phones zitten? Benschop verwacht het niet. ‘Supergeleiding in grafeen ontstaat bij min 272 graden, en dat is niet echt praktisch toepasbaar, want vloeibaar helium is extreem duur. We leren vooral steeds beter hoe supergeleiding ontstaat, en hopelijk levert dat ideeën voor nieuwe materialen die gewoon op kamertemperatuur supergeleidend zijn.’

Lego

Volgens Van der Molen is dubbellaags grafeen nog maar het begin. Er zijn namelijk nog veel meer vlakke, ­stroomgeleidende materialen, en die kun je ook stapelen en draaien. ‘Ik zie het een beetje als lego. Je legt het ene laagje op het andere, en als ze een sterke interactie hebben, dan ontstaat een nieuw materiaal met verrassende eigenschappen. Het lijkt een beetje op het combineren van waterstof en zuurstof tot water, waarbij de som veel meer is dan de losse delen.’

Een andere optie die Benschop wil onderzoeken is het vervormen van ­dubbellaags materialen, want daarmee veranderen ook de moiré-patronen en elektrische eigenschappen. Er zijn kortom veel parameters om mee te spelen, zegt Van der Molen: ‘Er is een theore­tische voorspelling dat de temperatuur voor supergeleiding makkelijk omhoog kan. Maar hoe precies, daar weten we niet genoeg van. Dat is ook wel het leuke van ons vakgebied: een heleboel zaken zijn niet goed te berekenen of te voorspellen, en dus maken experimenten het verschil.’

Tekst: Arno van 't Hoog

Deze website maakt gebruik van cookies.  Meer informatie.