Wetenschappers aan de TU Delft zijn er samen met collega’s van de Tübingen Universiteit in geslaagd nano-elektronische schakelingen te maken met behulp van een recent ontdekte tweedimensionale supergeleider.
Het unieke van dit materiaal is dat de supergeleiding op afstand aan- en uitgeschakeld kan worden, op een manier die vergelijkbaar is met het schakelen van een elektrische stroom in een transistor op een microchip. Door dit effect op de nanoschaal in te zetten, hebben de onderzoekers op een compleet nieuwe manier supergeleidende schakelingen gemaakt die niet gemaakt kunnen worden met behulp van andere algemeen bekende supergeleiders. Hun werk is gepubliceerd in Nature Nanotechnology op 11 juli 2016.
Een supergeleider maken van isolatoren
Voor het maken van de nanoschakelaars hebben de onderzoekers eerst een ring samengesteld van twee isolatoren, lanthaanaluminaat (LAO) en strontiumtitanaat (STO). Zij combineerden hierbij nanofabricage en atoomdepositie van lagen LAO op STO. Als laatste worden op twee kleine gedeeltes van deze ring metalen poortjes geplaatst. Wanneer deze structuren worden gekoeld tot een lage temperatuur, ontstaat er op het contactvlak tussen de isolatoren een ringvormig laagje supergeleider. Waarom deze onverwachte supergeleiding optreedt, is nog steeds een mysterie. Sinds de ontdekking van dit verschijnsel in 2007 hebben onderzoeksgroepen over de hele wereld technieken ontwikkeld om erachter te komen hoe deze supergeleider ontstaat en welke eigenschappen die heeft. De nanoschakelaars van de TU Delft bieden een nieuwe manier om belangrijke microscopische informatie over deze supergeleider te vergaren.
Deuren voor supergeleiding
De metalen poortjes zijn, zoals uit de naam al af te leiden valt, als doorgangen voor supergeleiding op nanoschaal. Wanneer er geen spanning op de poortjes wordt gezet, staat de deur open en onderbreekt niets de supergeleidende ring. Wanneer er daarentegen een grote spanning op de poortjes gezet wordt, schakelt de supergeleiding onder de poortjes uit (de deur sluit) en worden de twee helften van de ring van elkaar gescheiden. “ Maar er gebeurt iets bijzonders wanneer de deuren maar gedeeltelijk gesloten worden,” legt Srijit Goswami van het Kavli Institute of Nanoscience in Delft uit. “De weerstand van de ring begint te schommelen tussen nul en een heel hoge waarde, wanneer er kleine magnetische velden op gezet worden. Het lijkt er dus op dat de hele structuur heen en weer gaat tussen een supergeleidende toestand (geen weerstand) en een normale metalen toestand (hoge weerstand).” Dit effect treedt op door de kwantumeffecten in de supergeleider, die in principe erg lijken op wat er gebeurt wanneer er twee golven samenkomen en er een interferentiepatroon ontstaat. Daarom worden deze apparaatjes Superconducting QUantum Intereference Devices (SQUIDs) genoemd.
SQUIDs worden in veel toepassingen gebruikt, zoals medische MRI apparaten, waarbij het nodig is om minieme magnetische signalen op te pikken. Er worden ook pogingen gedaan
om ze te gebruiken in kwantum-informatieverwerkingscircuits van de toekomst. Zelfs met de meest geavanceerde technologieën voor het maken van SQUIDs is het niet mogelijk om de supergeleidende eigenschappen te beïnvloeden met elektrische poortjes. Groepsleider Andrea Caviglia licht deze nieuwe ontdekking toe: “Met behulp van de aanpak die aan de TU Delft ontwikkeld is, wordt het misschien mogelijk om complexere supergeleidende schakelingen te maken, waarbij de functionaliteit van het apparaat volledig gecontroleerd kan worden via spanningspoorten”. Of de Delftse nanoschakelaars ook technologisch relevant worden, is nog niet te zeggen. Wat wel zeker is, is dat ze een belangrijke rol zullen spelen bij het beantwoorden van fundamentele vragen over supergeleiding op de nanoschaal.
Kavli Institute of Nanoscience
Het Kavli Institute of Nanoscience Delft loopt vooraan in onderzoek op de nanoschaal, op gebieden die uiteenlopen van kwantumtranspport tot nanobiologie. Het onderzoek in Delft is uitgevoerd in het kader van het FOM DESCO programma, in samenwerking tussen de groepen van Andrea Caviglia en Lieven Vandersypen.
