Onderzoekers ontdekken verborgen dubbele supergeleiding in dun materiaal

Twee veelbestudeerde supergeleiders blijken een geheim te herbergen: wat leek op één supergeleidende toestand, bestaat in werkelijkheid uit twee nauw verweven toestanden die zich voordoen als één geheel. Natuurkundigen van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem ontdekten dit in niobiumdiselenide (NbSe2) en tantaaldisulfide (TaS2), twee materialen die veel worden gebruikt in onderzoek naar kwantumtechnologie. De vondst lost een raadsel op dat al jaren speelde en kan helpen bij het ontwerpen van betere kwantumcomputers en energiezuinige elektronica.

Een schijnbaar simpele supergeleider

Een supergeleider is een materiaal dat elektrische stroom geleidt zonder energie te verliezen. Dat lukt doordat elektronen zich paren tot zogeheten Cooperparen, die vervolgens ongehinderd door het materiaal bewegen. Niobiumdiselenide geldt als een van de best bestudeerde voorbeelden. Wanneer onderzoekers het terugbrengen tot een laagje van slechts een paar atomen dik, leek het gedrag simpel: het materiaal had blijkbaar één zogeheten energiekloof, de maat die aangeeft hoe stevig elektronen aan elkaar gekoppeld zijn. Toch klopte er iets niet. Eerdere metingen aan de vorm van dat energiespectrum kwamen niet overeen met de bestaande theorie, en niemand kon verklaren waarom.

Twee stemmen, één duet

Met zeer gevoelige tunnelspectroscopie, een techniek waarbij een naaldpunt tot op atomaire schaal boven een oppervlak wordt gehouden om elektronische eigenschappen af te lezen, ontdekten promovendus Shahar Simon en masterstudent Maya Klang, onder leiding van de hoogleraren Oded Millo en Hadar Steinberg, dat niobiumdiselenide helemaal geen enkelvoudige supergeleider is. Het materiaal bevat twee afzonderlijke supergeleidende ordes die zo sterk op elkaar inwerken dat ze zich voordoen als één. De onderzoekers noemen het een duet dat klinkt als een solozanger. Dezelfde verborgen tweeledigheid vonden ze terug in tantaaldisulfide. Met een nieuw model dat rekening houdt met twee gekoppelde supergeleidende toestanden konden de wetenschappers de eerder onverklaarde metingen alsnog nauwkeurig reproduceren, inclusief het gedrag van de materialen onder invloed van een magneetveld. Het onderzoek is gepubliceerd in het vakblad Physical Review Letters.

Nog complexere lagen

De ontdekking roept de vraag op hoe diep deze verborgen complexiteit reikt. Volgens de onderzoekers bevat niobiumdiselenide in zijn dikkere, oorspronkelijke vorm mogelijk zelfs drie op elkaar inwerkende supergeleidende ordes. Dat betekent dat supergeleiding in deze veelgebruikte materialen rijker en gelaagder is dan lange tijd werd aangenomen. Voor de ontwikkeling van nieuwe technologie is dat relevant: hoe beter wetenschappers begrijpen hoe elektronen zich precies gedragen in een supergeleider, hoe gerichter ze materialen kunnen ontwerpen voor toepassingen als kwantumcomputers, supergevoelige sensoren en stroomkabels zonder energieverlies. De materialen die in dit onderzoek zijn gebruikt, bestaan uit atoomdunne lagen die op elkaar gestapeld kunnen worden, vergelijkbaar met het bouwprincipe van Van der Waals-materialen. Juist die dunne, gestapelde structuur maakt het mogelijk om met precisie-instrumenten in het materiaal te kijken en verborgen eigenschappen als deze aan het licht te brengen.