Grafeen onthult mysterieuze 'anomale metaal'-fase naast supergeleiding

Supergeleiding is een van de meest bijzondere verschijnselen in de natuurkunde: bij extreem lage temperaturen kan een materiaal stroom geleiden zonder enige weerstand. Elektronen vormen dan koppels, bekend als Cooperparen, die ongehinderd door het materiaal bewegen. Maar in de praktijk gedraagt niet elk supergeleidend materiaal zich perfect. In verschillende grafeensystemen zagen onderzoekers de afgelopen jaren dat de weerstand bij afkoeling wél sterk daalt, maar niet helemaal naar nul zakt. In plaats daarvan blijft er een klein, constant weerstandsniveau over. Dit verschijnsel staat bekend als de anomale metaalfase en wordt al sinds de jaren tachtig waargenomen in dunne supergeleidende films, zonder dat er een sluitende theoretische verklaring voor bestaat.

Twee toestanden in hetzelfde materiaal

Een internationaal onderzoeksteam bestudeerde rhombohedraal grafeen: meerdere laagjes koolstof die in een specifieke, verspringende volgorde op elkaar liggen. Dit grafeen werd bovenop een laagje wolfraamdiselenide (WSe2) geplaatst, een Van der Waals-materiaal dat zonder chemische binding op het grafeen aansluit en de elektronen daarin subtiel beïnvloedt. Door met elektrische spanningen (gates) het aantal elektronen in het grafeen te regelen, ontstaan er verschillende elektronische toestanden binnen hetzelfde stukje materiaal. De onderzoekers vonden dat sommige instellingen leiden tot echte, weerstandsloze supergeleiding, terwijl net ernaast gelegen instellingen de hardnekkige anomale metaalfase opleveren. Beide gebieden gedragen zich verder verrassend gelijk: ze reageren op dezelfde manier op temperatuur, stroom en magneetveld, met een abrupte overgang naar normaal, weerstand-houdend gedrag zodra een kritische grens wordt overschreden.

Een scherpe grens bij extreme kou

Opvallend is wat er gebeurt als er een magneetveld evenwijdig aan het grafeenvlak wordt aangelegd. Dat veld laat de gebieden met supergeleiding en met de anomale metaalfase uitdijen en in elkaar overlopen. Bij temperaturen van een paar millikelvin — duizendsten van een graad boven het absolute nulpunt — ontstaat daarbij een messcherpe grens tussen plekken met nul weerstand en plekken met een kleine, blijvende weerstand. Zo'n scherpe overgang is nog niet eerder zo gedetailleerd in kaart gebracht.

Waarom dit grafeen zo waardevol is

Het bijzondere aan dit experiment is de zuiverheid van het materiaal. Eerdere onderzoeken naar de anomale metaalfase gebeurden vooral in dunne, vaak wanordelijke metaalfilms, waarbij onduidelijk bleef of onzuiverheden in het materiaal de oorzaak waren. Omdat rhombohedraal grafeen extreem schoon en nauwkeurig af te stellen is, kunnen onderzoekers verklaringen die draaien om defecten of verontreinigingen nu grotendeels uitsluiten. Dat maakt dit systeem tot een aantrekkelijk nieuw platform om de onderliggende natuurkunde van de anomale metaalfase eindelijk te doorgronden — een vraagstuk dat mogelijk ook licht werpt op supergeleiding in andere tweedimensionale materialen.