Vrij hangende laagjes vormen een bijzondere supergeleider

Supergeleiders geleiden stroom zonder enige weerstand. Er zijn inmiddels allerlei praktische toepassingen voor dit bijzondere fenomeen, maar ondertussen liggen er nog steeds onbeantwoorde fundamentele vragen over supergeleiding. Adjunct hoogleraar Justin Ye, hoofd van de Device Physcis of Complex Materials groep aan de RUG, bestudeerde supergeleiding in een dubbele laag molybdeen disulfide en ontdekte nieuwe supergeleidende toestanden. De resultaten zijn op 4 november gepubliceerd in het tijdschrift Nature Nanotechnology.

Supergeleiding is al gevonden in tweedimensionale kristallen, bijvoorbeeld van molybdeen disulfide of wolfraam disulfide. Deze monolaag-materialen hebben een dikte van drie atomen. ‘In beide monolagen bestaat een speciaal soort supergeleiding waarbij een intern magnetisch veld de supergeleidende toestand beschermt tegen een extern magnetisch veld’, legt Ye uit. Gewone supergeleiding verdwijnt als het materiaal aan een sterk magneetveld wordt blootgesteld, maar deze zogeheten Ising supergeleiding is daar tegen beschermd. Zelfs in de sterkste statische magneet van Europa, met een kracht van 37 Tesla, blijft Ising supergeleiding bestaan in wolfraam disulfide. Nu is zo’n beschermend effect mooi, maar de volgende uitdaging is om dit effect te kunnen controleren met behulp van een elektrisch veld en zo de supergeleiding te kunnen schakelen.

Schakelen

Ye en zijn collega’s bestudeerden een dubbele laag molybdeen disulfide. ‘In die vorm zorgt de interactie tussen beide lagen voor een nieuwe supergeleidende toestand.’ De dubbele laag was vrij hangend gemaakt, met aan beide kanten een ionische vloeistof die is te gebruiken om een elektrisch veld over de dubbele laag aan te brengen. ‘In een losse monolaag is zo’n veld asymmetrisch, met aan de ene kant positieve ionen en aan de andere kant negatieve. Maar in de dubbele laag kun je dezelfde lading aan beide zijden krijgen, zodat een symmetrisch systeem ontstaat’, legt Ye uit. Het elektrische veld dat zo ontstond was te gebruiken om de supergeleiding aan en uit te zetten. Daarmee is dus een supergeleidende transistor gemaakt, die via de ionische vloeistof is te schakelen.

In de dubbele laag is de Ising bescherming tegen externe magnetische velden verdwenen. ‘Dit gebeurt vanwege veranderingen in de interactie tussen de twee lagen’, zegt Ye. Het elektrische veld herstelt de bescherming. ‘De sterkte van die bescherming hangt af van de poortspanning op de transistor.’

Ingrediënten

Ye en zijn collega’s bouwden niet alleen een supergeleidende transistor, ze deden ook nog een intrigerende waarneming. In 1964 is het bestaan van een bijzondere supergeleidende toestand voorspeld die FFLO is genoemd, naar de vier wetenschappers die de voorspelling maakten: Fulde, Ferrell, Larkin en Ovchinnikov. Supergeleiding ontstaat doordat elektronen in paren in tegenovergestelde richting bewegen. Omdat ze met dezelfde snelheid bewegen, hebben deze zogeheten Cooper paren een gezamenlijk kinetisch moment van nul. Maar in de FFLO toestand is er een klein verschil in snelheid en dus een kinetisch moment dat niet gelijk is aan nul. Tot nu toe was deze toestand nog niet goed bestudeerd in experimenten.

‘Wij hebben aan bijna alle voorwaarden voldaan om de FFLO toestand in onze opstelling te zien’, vertelt Ye. ‘Alleen is die toestand zeer fragiel, en vervuilingen op het oppervlak van ons materiaal heeft daar een negatieve invloed op. We moeten daarom de experimenten nog eens doen, met schonere monsters.’ In de vrij hangende dubbellaag van molybdeen disulfide hebben Ye en zijn collega’s alle ingrediënten die nodig zijn voor het bestuderen van bijzondere supergeleidende toestanden. ‘Dit is echt fundamentele wetenschap die tot conceptuele veranderingen kan leiden.’

Referentie: O. Zheliuk, J. M. Lu, Q. H. Chen, A. A. El Yumin, S. Golightly & J. T. Ye: Josephson coupled Ising pairing induced in suspended MoS2 bilayers by double-side ionic gating Nature Nanotechnology 4 november 2019