Supergeleiding

14

Op zoek naar de magische hoek

NR. 1  2021 ALUMNIMAGAZINE VAN DE UNIVERSITEIT LEIDEN

Leidraad

15

TEKST: ARNO VAN ‘T HOOG, BEELD: TOBIAS A. DE JONG Stapel twee laagjes grafeen, draai ze een klein stukje ten opzichte van elkaar, en het materiaal wordt spontaan een supergeleider. Het antwoord op de vraag hoe zoiets magisch kan ontstaan heeft de wetenschap nog niet gevonden, maar natuurkundigen laten met speciale apparatuur zien wat er onder het oppervlak gebeurt.

Supergeleiding is een geduurd voordat er een goede veronderwerp dat al klarende theorie werd gepubliceerd. generaties weten En die nieuwe keramische superschappers boeit, sinds geleiders zijn nog steeds niet helehet ruim honderd maal begrepen. Zelfs voor natuurjaar geleden voor het kundigen is het ingewikkeld. Dat eerst werd gezien in is ook de insteek geweest van onze het Leidse laborato samenwerking: laten we een relatief rium van Nobelprijs simpel materiaal nemen om experiwinnaar Heike Kamerlingh Onnes. menten mee te doen: grafeen.’ Hij koelde kwik richting het absolu Promovendus Tjerk Benschop: ‘Het te nulpunt, en plots viel alle weer bijzondere is dat de faseovergang stand weg. Breng je in zo’n superkoud naar supergeleiding bij grafeen lijkt metaal een elektrisch stroompje op op die van de keramische supergeleigang, dan blijft dat eindeloos door ders. Het idee is dat we door grafeen lopen, totdat de koeling wegvalt. te bestuderen meer kunnen leren Koeling wil zeggen: in de buurt van de over wat er in andere supergeleiders 270 graden onder nul, de temperatuur gebeurt.’ waarbij helium vloeibaar is. Dat is kostbaar en ingewikkeld, dus zijn prakti Nieuwe draai sche toepassingen van supergeleiding Grafeen heeft iedereen in huis, de tot nu toe beperkt tot de magneten in grafieten kern van een potlood is MRIscanners in ziekenhuizen. opgebouwd uit eindeloos veel laagNatuurkundigen zoeken ondertussen jes grafeen, waarin koolstofatomen naar ‘warme’ supergeleiders, die met netjes in een honingraatstructuur ligminder koeling toekunnen. Zo zijn er gen. Van der Molen: ‘Dubbellaags grakeramische materialen ontwikkeld die feen heeft bijzondere eigenschappen; supergeleidend worden bij minus 140. je kunt er letterlijk een nieuwe draai Dat is een stap vooruit, maar nog niet aan geven. Als je twee laagjes grafeen genoeg. Bovendien zijn er nog veel een klein stukje ten opzichte van vraagtekens. Wat er precies gebeurt elkaar draait, dan ontstaat opeens binnen in die materialen, is een vraag een supergeleidend materiaal. En waar Leidse onderzoekers Tjerk Ben als je de hoek tussen de laagjes een schop en Sense Jan van der Molen een stukje groter maakt, dan is dat verantwoord op willen vinden. schijnsel weer weg. Daar zit veel ingeDe geschiedenis heeft geleerd dat die wikkelde natuurkunde achter, en in zoektocht tijd kan kosten, zegt Van sommige opzichten is het nog niet der Molen, hoogleraar fysica van de goed te verklaren.’ gecondenseerde materie. ‘Superge Benschop: ‘Het klinkt een beetje gek, leiding werd door Kamerlingh Onnes maar bij een magische hoek van 1,1 in 1911 ontdekt maar het heeft tot 1957 graden beginnen elektronen in de

16

Leidraad

Tjerk Benschop (25) is promovendus Natuurkunde. 2013-2018: studie Natuurkunde, Universiteit Leiden, 2018-nu: promovendus Natuurkunde, Universiteit Leiden. Winnaar Casimir PhD grant 2018.

twee laagjes elkaar meer te voelen; ze kunnen interacties met elkaar aangaan. Dat zorgt voor bijzondere eigenschappen, waaronder supergeleiding. Waarom dat gebeurt is ingewikkeld om uit te leggen, omdat er veel natuurkundige denkstappen tussen zitten. Wij praten bijvoorbeeld over banden van elektronen, en dat is niet eenvoudig voor te stellen.’

Vlakke band Een internationaal gezelschap van onderzoekers heeft de supergeleidende grafeensandwich gedetailleerd in kaart gebracht met verschillende meettechnieken. Ze combineerden expertise op het vlak van supergeleiding van Benschops promotor Milan Allan en collega Felix Baumberger in Zwitserland met Van der Molens grafeenonderzoek. ‘Als je heel nauwkeurig meet, kun je zelfs achterhalen in wat voor toestanden de elektronen in het materiaal zitten. Het aantonen dat elektronen bij de magische hoek vrijwel stil gaan staan, in een zogenoemde vlakke band, was nog niemand gelukt. En het is echt veel werk geweest.’ Benschop: ‘Ik heb op een gegeven moment mijn kerstvakantie opgeofferd om plaatjes van twisted grafeen te maken. Het moeilijke van mijn techniek is dat je pas nauwkeurig kunt meten als het oppervlak van het grafeen superschoon is. Je scant met een microscopisch klein naaldje vlak boven het oppervlak. En zodra er ook maar ergens één molecuul vervuiling kleeft, mislukt je meting. Daar had ik in het begin veel last van, om stap voor stap uit te vinden wat het beste werkt. Om goed te meten moet het oppervlak van het grafeen heel schoon zijn. Daarom meten we bijvoorbeeld in ultrahoogvacuüm. In de meetkamer zweven minder deeltjes dan in de ruimte.’

Eureka-moment De piepkleine preparaten met dubbellaags gedraaid grafeen werden gemaakt door colleganatuurkundigen in Barcelona. Dat is namelijk een kunst op zich. ‘Het mooie van wetenschap is dat je via publicaties en conferenties mensen tegenkomt en samen nieuwe ideeën opdoet’, zegt Van der Molen. ‘In dit geval waren echt vier onderzoeksgroepen nodig om dit tot een succes te maken.’ Na lange dagen in het lab, en geduldig herhalen en verbeteren, volgde eindelijk toch een eurekamoment, zegt Benschop. ‘Je werkt er lang naartoe, en hoopt dat je uiteindelijk een goede meting kunt doen. Op het moment dat je dan de atomaire structuur van het grafeen ziet verschijnen op je beeldscherm, met dat mooie patroon dat hoort bij de juiste draaihoek, dan is dat wel bijzonder.’ Zodra de twee laagjes grafeen ten opzichte van elkaar draaien wordt opeens een grotere honingraatstructuur zichtbaar. Die spontane patroonvorming of moiréeffect is ook te zien als je twee dunne laagjes zijde over elkaar schuift. Van der Molen: ‘Dat patroon is meer dan alleen gezichtsbedrog, er ontstaat echt een nieuwe structuur. Elektronen krijgen zo nieuwe gebiedjes waarin ze kunnen bewegen.’

FOTO: MONIQUE SHAW NR. 1  2021

Sense Jan van der Molen (48) is hoogleraar Fysica van de gecondenseerde materie. Hij is gepromoveerd aan de VU, was postdoc in Groningen en Zwitserland en is sinds 2007 groepsleider in Leiden. Won onlangs samen met Ivo van Vulpen de NWO ENW Communicatieprijs voor de Leidse muurformules. Op de foto staan ze bij de achtste muurformule.

Zullen er ooit chips met magisch draaigrafeen in computers of smartphones zitten? Benschop verwacht het niet. ‘Supergeleiding in grafeen ontstaat bij min 272 graden, en dat is niet echt praktisch toepasbaar, want vloeibaar helium is extreem duur. We leren vooral steeds beter hoe supergeleiding ontstaat, en hopelijk levert dat ideeën voor nieuwe materialen die gewoon op kamertemperatuur supergeleidend zijn.’

Lego Volgens Van der Molen is dubbellaags grafeen nog maar het begin. Er zijn namelijk nog veel meer vlakke, stroomgeleidende materialen, en die kun je ook stapelen en draaien. ‘Ik zie het een beetje als lego. Je legt het ene laagje op het andere, en als ze een sterke interactie hebben, dan ontstaat een nieuw materiaal met verrassende eigenschappen. Het lijkt een beetje op het combineren van waterstof en zuurstof tot water, waarbij de som veel meer is dan de losse delen.’ Een andere optie die Benschop wil onderzoeken is het vervormen van dubbellaags materialen, want daarmee veranderen ook de moirépatronen en elektrische eigenschappen. Er zijn kortom veel parameters om mee te spelen, zegt Van der Molen: ‘Er is een theoretische voorspelling dat de temperatuur voor supergeleiding makkelijk omhoog kan. Maar hoe precies, daar weten we niet genoeg van. Dat is ook wel het leuke van ons vakgebied: een heleboel zaken zijn niet goed te berekenen of te voorspellen, en dus maken experimenten het verschil.’

Meer Leids onderzoek

17

Lichtdetectoren

Het ophelderen en vervolgens verbeteren van supergeleiding is fundamenteel onderzoek, met diverse denkbare toepassingen. Die variëren van energietransport zonder verliezen tot extreem gevoelige lichtdetectoren. Een andere groep binnen het Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde (LION), onder leiding van Michiel de Dood, werkt aan zulke ‘single photon detectors’. Detectoren die enkele fotonen kunnen detecteren zijn onmisbaar in het begrijpen van de correlaties tussen twee fotonen en vormen de basis van ons begrip van de moderne kwantummechanica.

Hoge temperatuur

Ook de onderzoeksgroep van Milan Allan houdt zich bezig met supergeleiding. Deze natuurkundigen richten zich op materialen die bij hoge temperatuur hun weerstand verliezen, de zogeheten hogetemperatuur-supergeleiders. Ze bestuderen deze materialen met een scanning tunneling microscope (STM). De STM is in staat om het materiaal op atomaire schaal in kaart te brengen. Daarnaast wordt door spectroscopische metingen ook het elektronisch gedrag van het materiaal geregistreerd. Zo kunnen de onderzoekers met atomaire resolutie bepalen wat voor elektronische toestanden zich in het materiaal bevinden. De groep werkt ook aan nieuwe meettechnieken. Zo bouwde Koen Bastiaans als promovendus samen met Tjerk Benschop en postdoc Doohee Cho twee jaar aan een nieuw soort tunnelingmicroscoop. Naast het meten van het gemiddelde signaal registreert deze microscoop ook de tijdelijke fluctuaties in dat signaal – wat normaal gesproken ‘ruis’ wordt genoemd. Hij won voor dit onderzoek recent de eerste Paul & Tatiana Ehrenfest proefschrift prijs.

Sleutelen aan grafeen

Grafeen heeft van nature al bijzondere eigenschappen, maar je kunt er ook aan sleutelen. Zo onderzoekt de groep van Grégory Schneider bij het Leids Instituut voor Chemie hoe je de chemische eigenschappen van het spul kunt veranderen. Waarna het bijvoorbeeld bruikbaar wordt als middel om medicijnen op de juiste plaats in het lichaam te krijgen, voor het sequencen van DNA – onderzoek samen met prof. Jan van Ruitenbeek (LION) – of als zeer gevoelige sensor voor andere moleculen.