Supergeleider overleeft sterk magneetveld

Natuurkundigen uit Groningen, Hongkong en Nijmegen hebben ontdekt dat transistoren van ultradunne laagjes molybdeendisulfide (MoS2) supergeleidend zijn bij een lage temperatuur, en dat ook blijven binnen een sterk magneetveld. Dat is een uniek verschijnsel met spannende beloftes voor het materiaal. De experimenten zijn gedaan in het High Field Magnet Laboratory van de Radboud Universiteit en Stichting FOM.

Supergeleiding is een toestand waarbij de elektrische weerstand van een materiaal helemaal verdwijnt. In het algemeen bestaat dit verschijnsel alleen bij lage temperaturen en verbreekt een hoog magneetveld de supergeleiding. In het Nijmeegse High Field Magnet Laboratory (HFML) ontdekten natuurkundigen dat dit niet geldt voor molybdeendisulfide (MoS2), een materiaal dat in de bouwmarkt te koop is als droog smeermiddel. Zelfs bij een magneetveld van 37 tesla behoudt MoS2 zijn supergeleidende eigenschappen.

Sterke elektronenkoppeling

Supergeleiding ontstaat wanneer vrije elektronen in een materiaal sterk aan elkaar koppelen en zo paren vormen. Elektronen kunnen alleen dergelijke paren vormen als de trillingen in het materiaal minimaal zijn, vandaar dat supergeleiding alleen optreedt bij lage temperaturen. Als het materiaal wordt blootgesteld aan een magneetveld, breekt de koppeling tussen de elektronenparen, dus verdwijnt ook de supergeleiding. Verrassend genoeg blijft de supergeleiding in MoS₂ bestaan doordat tussen twee elektronen een sterk intern magneetveld van zo'n 100 tesla ontstaat. Dit veld is veel sterker dan de 37,5 tesla van de Nijmeegse supermagneet. Ter vergelijking: een gemiddelde koelkastmagneet heeft een magnetisch veld van 0,1 tesla.

"MoS₂ gedraagt zich dus op een manier die eigenlijk een natuurkundig wet, de zogenaamde Pauli-limiet, tegenspreekt", vertelt Uli Zeitler, natuurkundige bij het HFML. "Ik ben heel benieuwd hoe het zich zal gedragen tijdens nieuwe experimenten, ook daar zullen ons verrassingen te wachten staan."

Informatie in elektronenspin

Hoewel het huidige onderzoek heel fundamenteel is, heeft Zeitler wel ideeën voor mogelijke toepassingen. "Een elektronenpaar heeft een bepaalde lading en een bepaalde spin: de richting van hun interne magneetveld. Als je die lading en spin kan veranderen, bijvoorbeeld met een magneetveld, kun je daar informatie in opslaan. En dat principe kun je weer gebruiken bij de ontwikkeling van een toekomstige kwantumcomputer."

Uitdagende experimenten

De experimenten zijn ingewikkeld in de uitvoering. "We doen dit onderzoek bij zeer lage temperaturen van 0 tot 12 kelvin, ongeveer -270 graden Celsius, en bij hoge magneetvelden. Maar om elektronen in MoS₂ te kunnen pompen hebben wij eerst 'hoge' temperaturen van zo'n -50 graden nodig en moeten we vervolgens heel snel afkoelen", aldus Zeitler. "De mogelijkheden en expertise voor dergelijke experimenten vind je eigenlijk alleen in het HFML. Daarom komen wereldexperts, zoals Justin Ye en zijn collega's van de Rijksuniversiteit Groningen waarmee ik in dit onderzoek samenwerkte, naar het HFML voor dergelijk baanbrekend materiaalonderzoek."

Science publiceerde de resultaten: Two Dimensional Ising Superconductivity in Gated MoS2, J.M. Lu, O. Zheliuk, I. Leermakers, Noah F.Q. Yuan, U. Zeitler, K.T. Law en J.T. Ye, Science.