Natuurkundigen lossen mysterie van supergeleidingskoepel op

De natuurkundigen hebben hun bevindingen gepubliceerd in het tijdschrift 'Proceedings of the National Academy of Sciences'. De natuurkundigen hebben onder leiding van RUG adjunct-hoogleraar Justin Ye met behulp van een elektrisch veld een supergeleider gemaakt van wolfraam disulfide (WS2) met een dikte van één atoomlaag, dat zich normaal gesproken gedraagt als een halfgeleider. Op het moment dat er weinig ladingsdragers aanwezig zijn is WS2 een isolator. "Wat het elektrische veld doet is ladingsdragers in de isolerende band pompen waardoor de geleiding toeneemt", legt Ye uit. 

 

Bij een lage temperatuur kan op deze wijze ook supergeleiding ontstaan. In deze fase gaat de temperatuur bij een toenemend elektrisch veld in eerste instantie omhoog. Indien dit veld echter nog sterker wordt, daalt deze temperatuur weer. Dit veroorzaak koepelvormige curves, die in de afgelopen decennia zijn waargenomen bij verschillende supergeleiders. Deze curves komen vooral voor bij zogeheten hoge-temperatuur supergeleiders, waarvan de werking voor natuurkundigen vooralsnog een mysterie is. Onlangs is zo'n koepel voor het eerst waargenomen in enkele supergeleiders die werden aangezet via een elektrisch veld. Ye en zijn collega's zagen hoe bij een zeer sterk elektrisch veld het supergeleidende materiaal weer terugkeert tot een isolator.

"Die complete curve in het fasediagram, van isolator naar supergeleider en dan weer terug naar isolator is niet eerder zo duidelijk gemeten", zegt Ye. "Wij konden dit bereiken omdat we werkten met een echt tweedimensionaal materiaal en daarbij een ionische vloeistof gebruikten om een elektrisch veld op te wekken dat veel sterker was dan in eerdere studies." Indien normaal gesproken ladingsdragers in materiaal van meer dan één atoomlaag worden gepompt, zorgt dit ervoor dat het elektrisch veld op een zeker moment wordt geblokkeerd. "Maar in de WS2 monolaag kan ons zeer sterke elektrische veld er nog steeds doorheen komen. Daarom zagen we de hele curve tot aan de hernieuwde isolerende fase aan toe", aldus Ye. 

"Ons idee is dat de ladingdragers in het materiaal uiteindelijk vastgepind worden door het sterke elektrische veld. Op die manier kunnen ze niet langer door het materiaal bewegen en dat maakt het materiaal een isolator", aldus Ye Dit is wel enigszins tegen-intuïtief, voegt de adjunct-hoogleraar toe. "Normaal gesproken zou je denken dat bij een hoger veld er meer ladingsdragers komen, dus ook meer geleiding." Het feit dat dit niet altijd op blijkt te gaan kan hepen een rationeel ontwerp te maken van 2D supergeleidende schakelingen die bij relatief hoge temperaturen werken. "Begrip is de eerste stap naar controle van de eigenschapen van materialen", stelt Ye.

Het project stond onder leiding van de onderzoeksgroep 'Device Physics of Complex Materials' van Justin Ye, die onderdeel uitmaakt van het Zernike Institute for Advanced materials van de RUG. Een deel van het werk is uitgevoerd in het High Field Magnetic Laboratory van de Radboud Universiteit Nijmegen.