Meerdere vormen van supergeleiding mogelijk in grafeen

Onderzoekers van MIT hebben een opmerkelijke ontdekking gedaan in grafiet. Op microscopische schaal blijkt een bijzondere vorm van grafeen niet één, maar meerdere soorten supergeleiding te kunnen vertonen. Sommige van deze supergeleidende toestanden worden sterker wanneer ze worden blootgesteld aan een magnetisch veld – iets wat volgens de gangbare theorie supergeleiding zou moeten vernietigen. De resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.

Het MIT-team onderzochten een speciale vorm van grafeen, dat is opgebouwd uit vier of vijf op elkaar gestapelde koolstoflagen in een zogenoemde rhombohedrale structuur. Door nauwkeurig de elektronenconcentratie in het materiaal te regelen, ontdekten de onderzoekers dat het grafeen maar liefst vier verschillende supergeleidende toestanden kan aannemen.

Intact bij negen tesla

De grootste verrassing kwam toen de onderzoekers het materiaal blootstelden aan krachtige magnetische velden. Bij de meeste supergeleiders verbreekt een magneet de koppeling tussen elektronen, waardoor de weerstandloze stroom verdwijnt.

Bij het onderzochte grafeen gebeurde juist het tegenovergestelde. Drie van de vier supergeleidende toestanden bleven intact bij magnetische velden tot ongeveer negen tesla – ongeveer 180.000 keer sterker dan het aardmagnetisch veld. In sommige gevallen verbeterde de supergeleiding zelfs: het materiaal bleef functioneren bij hogere temperaturen en kon meer elektrische stroom verwerken voordat de supergeleidende toestand instortte.

Waarom dit gebeurt, weten de onderzoekers nog niet precies. Een mogelijke verklaring is dat de elektronen zich in deze grafeenstructuur anders organiseren dan in conventionele supergeleiders. Mogelijk vormen zij paren waarvan de spins dezelfde richting hebben. Daardoor zou een magnetisch veld de paren niet uit elkaar trekken, maar juist stabiliseren.

Deze hypothese moet nog uitgebreid worden onderzocht, zowel experimenteel als theoretisch. De waarnemingen wijzen echter duidelijk op een nieuwe, ongebruikelijke vorm van supergeleiding die afwijkt van de bestaande theorieën.

Veelzijdig

Hoewel de experimenten plaatsvinden bij temperaturen van slechts enkele tienden van een graad boven het absolute nulpunt, kan de ontdekking grote gevolgen hebben voor de ontwikkeling van toekomstige technologieën. Materialen die supergeleidend blijven onder sterke magnetische velden zijn bijzonder interessant voor toepassingen in onder meer kwantumcomputers, uiterst gevoelige meetapparatuur en energiezuinige elektronische circuits.

Volgens de MIT-onderzoekers onderstreept deze ontdekking hoe veelzijdig grafeen werkelijk is. Het materiaal staat al bekend om zijn uitzonderlijke sterkte, flexibiliteit en elektrische eigenschappen, maar blijkt nu ook een verrassend laboratorium te zijn voor exotische kwantumverschijnselen. Het onderzoek opent daarmee de deur naar een nieuwe generatie supergeleidende materialen en kan uiteindelijk bijdragen aan efficiëntere elektronica en krachtigere kwantumtechnologieën.