Mysterie van supergeleidingskoepel opgelost

Natuurkundigen van de RUG hebben, met collega’s uit Nijmegen en Hong Kong, een enkele laag wolfraam-disulfide supergeleidend gemaakt met behulp van een elektrisch veld. Door de veldsterkte steeds verder te verhogen konden ze laten zien dat het materiaal van een isolator verandert in een supergeleider en daarna opnieuw in een isolator. Hun metingen laten de typerende ‘koepelvormige’ supergeleidende fase zien en kunnen als eersten een verklaring geven voor dit fenomeen. De resultaten zijn op 19 maart gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences.

Onder leiding van RUG adjunct-hoogleraar Justin Ye maakten zij met behulp van een elektrisch veld een supergeleider van het één atoomlaag dikke wolfraam disulfide (WS₂), dat zich normaal gesproken gedraagt als een halfgeleider. In eerste instantie, wanneer 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 die manier ook supergeleiding ontstaan.

Temperatuur

In deze fase gaat de temperatuur waarbij er nog supergeleiding plaatsvindt in eerste instantie omhoog bij een toenemend elektrisch veld, maar als dit veld nog sterker wordt daalt die temperatuur weer. Dit soort koepelvormige curves zijn de afgelopen decennia waargenomen bij veel verschillende supergeleiders. Ze komen vooral voor bij zogeheten hoge-temperatuur supergeleiders, waarvan de werking natuurkundigen nog voor tal van mysteries stelt. Onlangs is zo’n koepel voor het eerst ook gezien in enkele supergeleiders die werden aangezet via een elektrisch veld. Maar wat Ye en zijn collega’s hier aan toevoegen is dat zij zagen hoe bij een zeer sterk elektrisch veld het supergeleidende materiaal weer een isolator wordt.

‘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.’ Wat normaal gesproken gebeurt als ladingsdragers worden gepompt in materiaal van meer dan één atoomlaag is dat het elektrisch veld op zeker moment wordt geblokkeerd. Ye: ‘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.’

Ontwerp

Hierdoor konden de onderzoekers zien waarom die verschillende fasen verschijnen. ‘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.’ Dit is wel enigszins tegen-intuïtief, voegt Ye toe: ‘Normaal gesproken zou je denken dat bij een hoger veld er meer ladingsdragers komen, dus ook meer geleiding.’ De ontdekking dat dit niet altijd opgaat kan de weg banen voor een rationeel ontwerp van 2D supergeleidende schakelingen die bij relatief hoge temperaturen werken. ‘Begrip is de eerste stap naar controle van de eigenschapen van materialen’, besluit Ye.

Het project werd geleid vanuit de onderzoeksgroep van Justin Ye (Device Physics of Complex Materials), die onderdeel uitmaakt van het Zernike Institute for Advanced materials van de RUG. Een deel van het werk is gedaan in het High Field Magnetic Laboratory van de Radboud Universiteit Nijmegen.

Referentie: J. M. Lu, O. Zheliuk, Q. H. Chen, I. Leermakers, N. E. Hussey, U. Zeitler, and J. T. Ye: A full superconducting dome of strong Ising protection in gated monolayer WS₂. PNAS 19 March 2018. DOI: 10.1073/pnas.1716781115