Ultradunne supergeleider wordt beter door rijping

Date: 13 May 2020

Introduction: Vondst Jonas Bekaert is doorbraak richting superzuinige elektronica

Onderzoekers van de Universiteit Antwerpen en het Britse National Graphene Institute hebben voor een nieuwe doorbraak in de ontwikkeling van superzuinige elektronica gezorgd. Ze ontdekten een ultradunne supergeleider die nog beter presteert met het ouder worden, net als een goed gerijpte wijn.

Supergeleiders zijn perfecte geleiders die hun elektrische weerstand volledig verliezen bij lagere temperaturen. Vaak betekent dit extreem lage temperaturen, net boven het absolute nulpunt van -273 graden Celsius. Omdat zo ver afkoelen niet praktisch is, gaan wetenschappers wereldwijd de uitdaging aan om supergeleiding bij hogere temperaturen mogelijk te maken. Het materiaal tantalumdisulfide behoort tot een nieuwe generatie supergeleiders: het functioneert ook wanneer het slechts drie atoomlaagjes dik is én er is nu dus een eenvoudige manier ontdekt om het bij hogere temperaturen te doen supergeleiden.

Figuur: De supergeleidende toestand, waarbij de elektrische weerstand volledig verdwijnt, blijft bij hogere temperaturen bestaan wanneer stalen van tantalumdisulfide verouderen (‘aging’), dankzij geleidelijke opname van zuurstof (rode bolletjes) in het kristalrooster. 

 

 

 

 

 

De onderzoekers stelden vast dat oudere stalen van tantalumdisulfide bij hogere temperaturen nog supergeleidend bleven, terwijl jonge stalen hun supergeleiding op lagere temperatuur al verloren. Door simulaties op basis van de kwantumfysica ontdekten ze dat deze verbetering te danken is aan de geleidelijke opname van zuurstof. “De opname van zuurstof of oxidatie wordt normaal gezien te allen prijze vermeden omdat het de eigenschappen van het materiaal vaak aantast”, zegt Jonas Bekaert (fysica, UAntwerpen). “Denk bijvoorbeeld aan het roesten van ijzer. Het tegendeel blijkt nu waar voor deze supergeleider.”

Onzuiver is niet slecht

De verbetering van de supergeleidende eigenschappen kan je vergelijken met een goede wijn waarvan de smaak verbetert door rijping. Bekaert: “Net zoals niet iedere wijn beter wordt doorheen de jaren, zal verouderen ook niet voor iedere supergeleider automatisch positief werken. Veel hangt af van de atoomsoorten die in het materiaal aanwezig zijn en van de atoomsoorten waaraan het materiaal blootgesteld wordt tijdens het verouderingsproces. Maar alleszins is door deze studie het vooroordeel dat oxidatie en andere onzuiverheden per definitie nefast zijn voor de werking van elektronische toestellen voorgoed weerlegd.”

Op basis van deze ontdekking kan men nu dus chemische onzuiverheden gebruiken voor de ontwikkeling van superzuinige én duurzame elektronica, die in de toekomst toegepast kunnen worden in krachtige supercomputers en nieuwe sensoren. Het onderzoek verschijnt in het toonaangevende wetenschappelijke tijdschrift Nano Letters.

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c00871



Link: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c00871