Nieuwe supergeleiders ontwerpen op atomaire schaal

Bron: Shutterstock

Supergeleiding behoort tot de meest intrigerende én ook toepasbare kwantumfenomenen. Wanneer een gewoon metaal (bvb. koper) elektriciteit geleidt, gaat er steeds elektrische energie verloren door de weerstand van het metaal. In een supergeleider, daarentegen, verdwijnt deze elektrische weerstand volledig bij lagere temperaturen, zodat geleiding van elektrische stroom 100% efficiënt verloopt. Door deze buitengewone eigenschap zijn supergeleiders veelbelovende kandidaten voor superefficiënte elektronica en sensoren, naast reeds bestaande toepassingen zoals elektromagneten gebruikt in deeltjesversnellers, MRI-scanners, etc.

Om deze toepassingen te realiseren, is het cruciaal om op zoek te gaan naar nieuwe supergeleiders met optimale eigenschappen. Hierbij wordt momenteel sterk gefocust op ultradunne materialen, opgebouwd uit slechts één of enkele atomair dunne lagen. Deze nieuwe klasse van materialen biedt vele voordelen: doordat ze ultradun zijn, zijn ze ook ontzettend compact, lichtgewicht en kunnen ze op elkaar gestapeld worden als Legoblokjes. Door middel van deze atomaire Lego kan een gewenste functionaliteit op punt gesteld worden om te dienen voor nieuwe elektronische componenten en sensoren. 

Het bekendste voorbeeld van een ultradun materiaal is grafeen. Het is één van de dunst mogelijke materialen, slechts één enkel koolstofatoom dik, maar helaas geen supergeleider. Daarom hebben we onderzocht of de MXenes, een verwante familie van ultradunne materialen – zeg maar neefjes van grafeen – wel supergeleiding kunnen vertonen. MXenes bestaan uit drie atomair dunne lagen: een laag koolstof of stikstof (X) gesandwicht tussen twee lagen van een overgangsmetaal (M), zoals getoond in de figuur.

We hebben in totaal 20 verschillende MXenes onderzocht op atomaire schaal, door middel van berekeningen op basis van de kwantummechanica. Die beschrijft namelijk het gedrag van elektronen in materialen, en dus ook onder welke omstandigheden deze kunnen supergeleiden. Zo hebben we 6 nieuwe, ultradunne supergeleiders ontdekt, die als volgende stap nu ook echt in het lab gemaakt kunnen worden. Door uit 20 mogelijke materialen de 6 gevallen met de gewenste functionaliteit – supergeleiding – uit te filteren is veel trial-and-error in het lab uitgespaard, en dus ook de kosten die daaraan verbonden zijn.

Één van de belangrijkste kenmerken van een supergeleider, die we ook hebben berekend, is de kritische temperatuur. Dit is de temperatuur waaronder het materiaal gekoeld moet worden om tot de supergeleidende toestand over te gaan, liefst zo hoog mogelijk dus. De 6 nieuwe supergeleiders hebben vrij uiteenlopende kritische temperaturen, van een lage 2 kelvin (2 graden boven het absolute nulpunt) tot een redelijke 16 kelvin, zoals getoond in de figuur.

In de figuur zien we bovendien dat in één van de nieuwe supergeleiders, W2N (wolfraam nitride), supergeleiding het toneel moet delen met een ander fenomeen, de charge-density wave (CDW). Dit is een ruimtelijke modulatie van de golftoestand van de elektronen, die heel kenmerkend is voor de kwantummechanica. De wisselwerking tussen supergeleiding en charge-density waves, twee concurrerende kwantumtoestanden, kan de basis vormen van een nieuwe generatie elektronische schakelingen, die zowel ultradun als superefficiënt zijn.

Tegenwoordig kunnen we dus op atomaire schaal nieuwe materialen met gewenste functionaliteiten ontwerpen door middel van uiterst nauwkeurige kwantummechanische berekeningen. Vervolgens kunnen deze materialen in een experimenteel lab gemaakt en verder gekarakteriseerd worden, om uiteindelijk hun weg te vinden naar concrete toepassingen.

Meer informatie is te vinden in de originele publicatie: Nanoscale, 2020, 12, 17354