Het 'kippengaaspatroon' van grafeen.
Het 'kippengaaspatroon' van grafeen. © AFP

Wonderkoolstof grafeen blijkt ook supergeleider

Het was al superlicht, flexibel, meer dan ijzersterk en een goede stroomgeleider, maar nu lijkt voor wonderkoolstof grafeen ook de heilige graal binnen handbereik: supergeleiding. Britse onderzoekers hebben in hun lab in Cambridge voor het eerst laten zien dat het kippengaaskoolstof van slechts één atoomlaag dik elektrische stroom kan doorgeven zonder enige weerstand.

In een artikel in het tijdschrift Nature Communications schrijven de onderzoekers dat zulk supergeleidend grafeen interessante wegen kan openen voor energiezuinige en razendsnelle nano-elektronica. Vooralsnog gaat het om een principe; de nieuwe eigenschap treedt op bij nogal onpraktische temperaturen, diep onder het vriespunt.

Op papier staat het in 2004 door de Nederlandse Rus Andrei Geim ontdekte grafeen al langer te boek als potentiële supergeleider, maar tot nog toe wilden experimenten dat maar niet laten zien. De laatste jaren vonden onder anderen Japanse onderzoekers wel supergeleidend grafeen als dat met calcium was bewerkt, of met lithium overdekt. Probleem was dat de overige supereigenschappen van het grafeen dan verloren leken te gaan.

Grafeenflinter

Bij de nieuwe experimenten leggen de onderzoekers een grafeenflinter op een bekende supergeleider, een ingewikkelde keramische verbinding van praseodymium, cerium, koper en zuurstof, kortweg PCCO genoemd. Het wordt supergeleidend bij 4 graden boven het absolute nulpunt, maar het grafeenlaagje gedraagt zich aantoonbaar anders als geleider dan die in het gewonere brosse materiaal eronder.

De exotische vorm van supergeleiding wordt in haast geen enkel ander bekend materiaal gemeten. Opmerkelijk, maar of dat een belangrijk inzicht is, moet nog blijken, zegt prof. Joost Frenken van het ARCNL lab in Amsterdam. 'Meer iets voor de fijnproevers, schat ik nu nog.' De suggestie van de onderzoekers dat nu grafeensupergeleiding bij hogere temperaturen aanstaande is, noemt hij overtrokken.

De suggestie dat grafeensupergeleiding bij hogere temperaturen aanstaande is, noemt professor Frenken overtrokken

Verliesloos

Dat neemt niet weg dat de droom van supergeleidend grafeen aantrekkelijk is. De manier waarop de elektronen in het grafeennetwerk zitten, maakt dat ze zich als deeltjes zonder massa gedragen. Daardoor kunnen ze hoe dan ook al gemakkelijk door het netwerk bewegen als elektrische stroom. Een supergeleidende fase zou de signalen niet alleen nog sneller maken, maar ook helemaal verliesloos.

Klassiekere supergeleiders worden al breed toegepast in bijvoorbeeld de diepgekoelde elektromagneten van MRI-scanners. Ze zijn supergeleidend doordat bij lage temperatuur de elektronen paren vormen die ongestoord door het materiaal dansen. Ook in sommige ingewikkelde keramische stoffen treedt supergeleiding op, soms ook bij minder extreme koeling. Op kamertemperatuur is nog steeds geen supergeleider bekend.

Hoe dan ook is grafeen veelbelovend. Het wordt inmiddels toegepast in sommige touch-screens. Wereldwijd worden miljarden euro's gespendeerd aan research, industrieel en fundamenteel.