In supergeleidende materialen vloeit een elektrische stroom zonder enige weerstand. Er zijn nogal wat praktische toepassingen van dit fenomeen; Veel fundamentele vragen blijven echter nog onbeantwoord. Universitair hoofddocent Justin Ye, hoofd van de groep Device Physics of Complex Materials aan de Rijksuniversiteit Groningen, bestudeerde supergeleiding in een dubbele laag molybdeendisulfide en ontdekte nieuwe supergeleidende toestanden. De resultaten zijn op 4 november gepubliceerd in het tijdschrift Nature Nanotechnology.

Supergeleiding is aangetoond in monolaagkristallen van bijvoorbeeld molybdeendisulfide of wolfraamdisulfide die een dikte hebben van slechts drie atomen. “In beide monolagen bestaat er een speciaal soort supergeleiding waarbij een intern magnetisch veld de supergeleidende toestand beschermt tegen externe magnetische velden”, legt Ye uit. Normale supergeleiding verdwijnt wanneer een groot extern magnetisch veld wordt aangelegd, maar deze Ising-supergeleiding wordt sterk beschermd. Zelfs in het sterkste statische magnetische veld van Europa, dat een sterkte heeft van 37 Tesla, vertoont de supergeleiding in wolfraamdisulfide geen enkele verandering. Hoewel het geweldig is om zo’n sterke bescherming te hebben, is de volgende uitdaging het vinden van een manier om dit beschermende effect onder controle te houden, door een elektrisch veld aan te leggen.

Nieuwe supergeleidende staten

Ye en zijn medewerkers bestudeerden een dubbele laag molybdeendisulfide: “In die configuratie creëert de interactie tussen de twee lagen nieuwe supergeleidende toestanden.” Je creëerde een zwevende dubbele laag, met aan beide kanten een ionische vloeistof die kan worden gebruikt om een ​​elektrisch veld over de dubbellaag te creëren. “In de individuele monolaag zal zo’n veld asymmetrisch zijn, met positieve ionen aan de ene kant en geïnduceerde negatieve ladingen aan de andere kant. In de dubbellaag kunnen we echter dezelfde hoeveelheid lading in beide monolagen laten induceren, waardoor een symmetrisch systeem ontstaat”, legt Ye uit. Het elektrische veld dat zo ontstaat, kan worden gebruikt om supergeleiding aan en uit te zetten. Dit betekent dat er een supergeleidende transistor is gemaakt die door de ionische vloeistof kan worden gestuurd.

In de dubbele laag verdwijnt de Ising-bescherming tegen externe magnetische velden. “Dit gebeurt vanwege veranderingen in de interactie tussen de twee lagen.” Het elektrische veld kan de bescherming echter herstellen. “Het beschermingsniveau wordt een functie van hoe sterk je het apparaat afsluit.”

Cooper-paren

Naast het creëren van een supergeleidende transistor, deden Ye en zijn collega's nog een intrigerende observatie. In 1964 werd voorspeld dat er een speciale supergeleidende staat zou bestaan, de FFLO-staat genaamd (genoemd naar de wetenschappers die deze voorspelden: Fulde, Ferrell, Larkin en Ovchinnikov). Bij supergeleiding reizen elektronen in paren in tegengestelde richtingen. Omdat ze met dezelfde snelheid reizen, hebben deze Cooper-paren een totaal kinetisch momentum van nul. Maar in de FFLO-toestand is er een klein snelheidsverschil en daarom is het kinetische momentum niet nul. Tot nu toe is deze toestand nooit goed bestudeerd in experimenten.

"We hebben aan bijna alle vereisten voldaan om de FFLO-status in ons apparaat voor te bereiden", zegt Ye. “Maar de staat is erg kwetsbaar en wordt aanzienlijk beïnvloed door verontreinigingen op het oppervlak van ons materiaal. We zullen de experimenten daarom moeten herhalen met schonere monsters.”

Met de zwevende dubbellaag van molybdeendisulfide beschikken Ye en zijn medewerkers over alle ingrediënten die nodig zijn om enkele speciale supergeleidende toestanden te bestuderen. “Dit is werkelijk fundamentele wetenschap die ons conceptuele veranderingen zou kunnen brengen.”