Supergeleidende laag van twee atomen dik ontwikkeld

Onderzoekers van de universiteit van Austin in de Amerikaanse staat Texas zijn erin geslaagd een supergeleidende laag lood te produceren die slechts twee atomen dik is, waarmee het de dunste metalen supergeleider ooit zou zijn.

Het team wetenschappers dat onder leiding van doktor Ken Shih staat, ontwikkelde de dunne folie van lood. Met een dikte van slechts twee atomen dwingt het supergeleidende materiaal elektronenparen in een tweedimensionaal vlak te bewegen. Hoewel de elektronenparen in het lood in hun bewegingsvrijheid beperkt zijn tot quantum-kanalen, zijn ze mobiel genoeg om de supergeleidende eigenschappen van het materiaal niet nadelig te beïnvloeden.

De groep van Shih vervaardigde het extreem dunne lood-folie door deze op een dunne siliciumlaag te synthetiseren. Dankzij de productiemethode slaagden de onderzoekers erin een zeer uniforme folie zonder onzuiverheden te produceren: de kristallijne structuur van het lood is volgens de materiaalkundigen perfect. Een praktisch nut hebben de ultradunne supergeleidende lood-folies nog niet, maar de onderzoekers denken wel op research-vlak van de twee atomen dikke lood-folies te profiteren: zij zouden zo beter supergeleiding kunnen bestuderen.

Reacties (51)

[mzziol]

Indrukwekkend zeg!

Wat is er eigenlijk geïllustreerd op het plaatje (zal wel een noob-vraagje zijn, maarja)?

[Wouter.S]

Dat is een foto waarschijnlijk gemaakt met een STM (Scanning Tunneling Microscope) die de atomen toont in hun kristalrooster.
Wat men eigenlijk doet is met een zéér fijne naald, de punt heeft de grootte van één atoom, over het oppervlak van een materiaal bewegen. Met lasers meet men de 'bulten' uit wanneer men over dat oppervlak schuift. Hieronder staat de juiste meettechniek, ik zat er wat naast. Elke bult komt overeen met een atoom. Zo kan men als het ware een oppervlaktekaart maken van het kristalrooster.

Er wordt overigens niet vermeld bij welke temperatuur deze supergeleiding optreedt. Dit is wel een cruciale zaak aangezien het niet handig is als je je silicium gecoat met een loodlaagje op -200°C moet houden.

[Reactie gewijzigd door Wouter.S op 23 juli 2024 06:59]

[N0 0B]

Niet helemaal waar, er worden geen lasers gebruikt om de bulten te meten. er wordt gebruik gemaakt van een tunnelstroom. deze stroom kan ontstaan als elektronen van het sample overspringen, door klassiek verboden gebied, naar de naald. er staat een referentiestroom op de naald, en deze stroom wordt constant gehouden (iets van een paar nA). dat betekent dus dat als er minder stroom loopt omdat het sample verder weg is en er minder elektronen kunnen oversrpingen, de naald naar beneden wordt geplaatst waardoor de stroom weer op niveau is. die verplaatsing kan je dan in een plaatje zetten. en dat is wat je ziet.

[Verwijderd]

Nog een stukje precieser. In de meeste scanning technieken ( MFM, STM, AFM ) wordt de afstand tussen de naald en het sample in principe constant gehouden. De kleine verplaatsingen worden gedaan door piezos, materialen die een beetje uitzetten als er stroom door loopt. Het signaal wat je dan meet is dus eigenlijk jouw input om die tunnelstroom constant te houden.

[Blokmeister]

Volgens mij meet je de afstand met behulp van een stroom, die tot stand komt door elektronen die door vacuüm heen tunnelen.
linkje:
http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_tunneling_microscope

Het hele idee van een scanning tunneling microscope is dat je niet vast zit aan de relatief lange golflengte van fotonen om de dingen te zien. Hierdoor heb je ook geen last van de lage resoluties die je maximaal kan krijgen met licht.

[Reactie gewijzigd door Blokmeister op 23 juli 2024 06:59]

[fevenhuis]

Nee het idee achter de scanning tunneling microscope is niet om om te onstappen aan de relatief lange golflengte van fotonen om de dingen te zien.
Dat was allang mogelijk met een "gewone" scanning electron microscope, met de scanning tunneling microscope werd het mogelijk om beelden te krijgen op atomair nivo.

Maar ligt het aan mij of is dat plaatje helemaal niet "perfect" zie links midden.

[Verwijderd]

Ik denk dat ze met perfect bedoelen een mate van verdeling die geen onderlinge storing oplevert. Perfect kan niet omdat de atomen altijd (minimiem) bewegen (temperatuur).

Als nuttige toepassing:

1. zit ik te wachten op chips die gestapeld zijn. Een blokje van een kubieke cm zou een behoorlijke rekenkracht moeten hebben.....
Als je bijvoorbeeld kan meten uit welk "quantum kanaal" iets komt zou je hier rekenkundige formules kunnen op los laten.
2. huid van een vliegtuig, radardeflecterend in een richting die je verkiest. De relatief kleine oppervlakte zou het mogelijk moeten maken om radiostraling te kunnen buigen in een richting zonder de aerodynamische eigenschappen van het vliegtuig aan te tasten.
3. hoe gedraagt zwaartekracht zich ten opzichte van dit soort materialen?
4. metingen verrichten. Door bijvoorbeeld temperatuurwisseling zou het plaatje kunnen buigen. De geleidende eigenschappen van het oppervlakte wijzigen waardoor een exacte verschilmeting in temperatuur gemeten kan worden.
5. als oppervlakte van nieuwe types beschrijfbare dvd's (weet de kostprijs niet haha)
6. oppervlaktes van bijvoorbeeld hartkleppen (om stollingen te voorkomen), hoewel lood in het lichaam misschien niet de eerste keuze is

Hoe toepasbaar (productiemethode) het is met andere metalen (smeltpunt) vraag ik me meteen af. De eigenschappen van lood kunnen ervoor zorgen dat de toepassingen beperkt zijn.

[robvanwijk]

Ook als atomen bewegen (trillen, vanwege de warmte), dan kan het kristalrooster nog steeds perfect zijn.

1) Wat heeft dit precies met gestapelde chips te maken?
2) Ik heb eerlijk geen idee wat voor effect een supergeleidend metaal heeft op radar-straling. Maar om straling te buigen heb je meta-materialen nodig, en dat heeft niks met supergeleiding te maken.
3) Net zoals zwaartekracht zich bij elk ander materiaal gedraagt. Tot op heden hebben we verbazingwekkend weinig succes in klooien met zwaartekracht.
4) Dat zou inderdaad kunnen werken, maar voor zover ik weet zijn er makkelijker manieren om temperatuur te meten.
5) Huh...!?
6) Huuuuuh...!?

Metalen smelten over het algemeen (kwik even uitgezonderd) pas bij honderden of duizenden graden celcius. Je halfgeleiders overleven dat soort temperaturen sowieso niet, dus ik denk dat dit niet heel veel extra problemen op zou moeten leveren.

[Blokmeister]

Maar daar zit je ook weer vast aan de golflengte van electronen zover ik weet.

[Dooievriend]

Jep, maar golflengte is omgekeerd evenredig aan massa (zie die formule van De Broglie hierboven). En een elektron is véél zwaarder dan een foton, dus is de golflengte veel kleiner.

Daarom dat, hoewel onze snelheid (als in: die van onze lichamen) zeer laag is, onze golflengte ook zo goed als onbestaande is (we hebben namelijk een _gigantische_ massa in vergelijking met zo'n elektron of foton). Anders zou het wel leuk zijn om eens door twee deuren tegelijk te gaan .

[Reactie gewijzigd door Dooievriend op 23 juli 2024 06:59]

[Superstoned]

oh yeah, ik zou best eens door een muurtje willen 'tunnelen' ;-)

[Verwijderd]

Dat is juist het mooie eraan: je kan de golflengte van elektronen beïnvloeden door hun snelheid te veranderen.
De Broglie-golflengte: λ=h/p=h/(m*v) met h=constante van Planck

[ErrieR]

Het meten gebeurt niet met lasers, maar door middel van het meten van stroom.
Door quantum mechanische effecten kunnen electronen door een 'tunnel' van het te meten oppervlak naar de naald stromen, waardoor er een stroompje loopt. Variaties in deze stroom worden omgezet in een plaatje.

[Malantur]

Die gele bolletjes zijn lood atomen, ter verduidelijking van het perfect kristalrooster waarover in het artikel gesproken wordt.
Mocht je geïnteresseerd zijn in hoe die foto's getrokken worden:
http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_tunneling_microscope

[Dooievriend]

Klopt, let bovendien op de mooie zeshoek-structuur.

[leoBO]

Gelukkig staan er voldoende antwoorden, maar je vraag is een goede: het lijkt me verstandig om onder plaatjes als deze enige vorm van uitleg te geven.

[mrlammers]

Bijschrift van de foto (gevonden op: http://www.utexas.edu/news/2009/06/08/superconductors/)
This is a scanning tunneling microscope image of the 2-atom thick lead film. The inset is a zoomed view showing the atomic structure.

[Skyrunner]

Hier zou MRI wel eens heel mooi van kunnen genieten ipv grote onhandige helium systemen :-)

[Verwijderd]

Is maar de vraag...

Bij dat soort systemen is het helium meestal voor de supergeleidende sensor. En daarbij zorgt de temperatuur niet alleen voor de supergeleiding, maar ook voor vermindering in de ruis. (Hoe hoger de temperatuur, hoe hoger de thermische ruis)

Ik ken systemen waarbij dat laatste veel belangrijker was dat het eerste... Ondanks dat ze wat betreft supergeleiding op vloeibare stikstof konden overstappen, bleven ze op gronde van de lage ruis toch gewoon helium gebruiken.

[Seroo]

Dit is weer een stapje dichter bij de weerstandsloze super pc . Goede ontwikkeling dit, want hierbij heb je geen lage temperaturen nodig laat staan super duur metaal.

[Psilax]

ik wil niet moeilijk doen, maar nergens op het internet kan ik vinden bij welke temperatuur dit gebeurd is en bij high-temperature superconductors spreekt men over temperaturen boven de -238°C dus dit is nog niet direct toepasbaar schat ik.

[f2ostie]

Het spectaculaire aan die ontdekking is, zoals de onderzoekers aanhaalden, dat supergeleiding nu op een veel hoger niveau zal kunnen worden onderzocht. Eén van de redenen dat er nog geen supergeleidende matrialen bestaan op kamertemperatuur is omdat er eigenlijk geen theoretische basis is voor hoge temperatuursupergeleiders.
De huidige theorie (BCS) verklaart supergeleiding, maar volgens die theorie zou de theoretische kritische temperatuurs bovengrens (kritische temp = temp waarbij metalische geleider overgaat naar supergeleinde toestand) op 30 K moeten liggen.
Aangezien er al supergeleiders zijn met een Tc tot 138K blijkt dat de BCS theorie tekortschiet.
Doordat nog niemand een valabel alternatief heeft kunnen maken voor de BCS theorie is het vinden van supergeleiders min of meer nattevingerwerk.
Door deze creatie zou het kunnen dat die theorie die hoge temperatuurs supergeleiding verklaart niet meer zo ver weg is doordat de fycisi nu veel gedetailleerder onderzoek kunnen verrichten.
En eenmaal zo'n theorie geformuleerd is zou het veel gemakkelijker moeten zijn om aan nog hogere Tc's te komen, misschien wel kamertemp.

[Verwijderd]

Het is inderdaad letterlijk gokwerk.
Pak een aantal metalen die "misschien wel eens" supergeleidend zou kunnen zijn.
Maak de legering
Superkoel de legering en test het.
IF supergeleidend, haal geld binnen
Else goto 10.

[Verwijderd]

Ik denk dat niet alleen temperatuur een rol speelt. Aangezien er ronddraaiende informatiebits bij atomen een eventuele stroomrichting kunnen beinvloeden zou je bijvoorbeeld met magneten deze bits in een zelfde richting moeten kunnen laten draaien; de richting waarin je de "stroom" stuurt. Je kan dan ook alleen de 'kanalen' gebruiken waar de de rotatie gelijk loopt met de 'stroom' richting. Op deze manier ga je met de stroming mee waardoor een snellere geleiding mogelijk moet zijn. De truuk is dus niet alleen een superuniforme verdeling van de moleculen maar zelfs de kant kunnen aanpassen waar hun informatiebits naar toe draaien (relatief links- of rechtsom).

[Verwijderd]

De grap van de ontwikkeling van supergeleiders is dat ze eigenlijk zo warm mogelijk moeten omdat het dan minder energie kost om te koelen. Een bekende toepassing hiervan is in de grote deeltjesversneller van het CERN. Ze maken daar gebruik van verschillende coatings die speciaal ontwikkeld worden om o.a. de banen voor de elektronen/positronen/(anti)protonen/looddeeltjes te 'reinigen'. Ook worden supergeleiders gebruikt om die deeltjes (met een enorme energie) te sturen in zogenaamde 'stuurmagneten' omdat ze anders niet door het bochtje heen gaan, toch vrij essentieel in een rondje lijkt me zo

Een andere toepassing waarbij temperaturen wel zo laag mogelijk moeten zijn (denk aan 0,001^o Celsius boven het absolute nulpunt, -237,15) is de verplaatsing van de eigenschappen van deeltjes. Het is nu zelfs gelukt om de eigenschappen van een atoom over te brengen op een ander atoom wat een meter verder stond, wat in nm echt een gigantische afstand is. Men (waaronder in nederlander ) is nu druk bezig om meerdere atomen te verplaatsen, en ik hoor hier heel misschien al de eerste, maar dat zeg ik heel voorzichtig, tromgeroffel voor menselijk transformatie

[tweakerbee]

Typo: 0 K = -273,15 C

Voor de volledigheid.

[Verwijderd]

Dat bedoel ik in mijn eerder stukje met de invloed van (o.a.) zwaartekracht. Door de eigenschappen van materiaal kan de zwaartekracht zich anders gaan gedragen. Ook andere natuurlijke eigenschappen.

Het heelal bestaat volgens mij uit niets anders dan "informatie". De eigenschappen van bijvoorbeeld materie is opgebouwd uit de informatie van zijn onderdelen. Als je de informatie (zelfs locatie van deze informatie) kan aanpassen bezit je de kracht om materie (en wie weet) aan te passen.

Ik gok zelfs dat energie/materie die zich rond het absolute nulpunt bevindt anders reageert op bijvoorbeeld de lichtsnelheid. Zelfde als een 'zwart gat'. Als mijn theorie klopt moet de materie in het centrum van dit gat geen kracht hebben om te trillen. Daardoor zou er dus ook het absolute nulpunt moeten heersen.

(ps niet om te zeiken maar zou het kunnen dat je transportatie ((beam me up scotty)) bedoelt ipv transformatie. Hoewel transformatie ook mogelijk moet zijn. Als je eigenschappen en relatieve locatie van materie kan aanpassen zou je in staat moeten zijn om materie te transformeren naar iets anders)

Mijn kennis op dit vlak schiet tekort, het is slechts mijn boerenverstand wat hier spreekt....

[Verwijderd]

Als je extreme temperaturen nodig zou hebben zou dit geen echt nieuws zijn. Er zijn namelijk al meerdere supergeleidende materialen bekend. Mocht dit op kamertemperatuur plaatsvinden, dan heeft men ECHT een doorbraak.
Zou te gek zijn

[Blokmeister]

Je vergeet hier dat het hier gaat over een superdunne laag. Hierdoor kunnen wetenschappers waarschijnlijk weer leuke ontdekkingen doen aan supergeleiding.

Quote:
Een praktisch nut hebben de ultradunne supergeleidende lood-folies nog niet, maar de onderzoekers denken wel op research-vlak van de twee atomen dikke lood-folies te profiteren: zij zouden zo beter supergeleiding kunnen bestuderen.

[Alkjoa]

De onderzoekers hebben juist laten zien dat de transitietemperatuur drastisch omlaag gaat als je van lagen van 4 atomen dik (4 ML) naar lagen van 2 atomen dik (2 ML) gaat (3-atoom lagen waren niet stabiel).
Films van 2 ML zijn ook het theoretische mimimum dat nodig is voor een supergeleider.
De transitietemperatuur voor 2 ML werd geschat op Tc ~3.65 +/-0.15 K.

http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/324/5932/1314 (access required)

[Verwijderd]

Jammer voor je, maar de kans dat dat gaat werken is vrij klein. Transistors werken namelijk door het halfgeleiderprincipe, oftewel, zet stroom op een metaal, en het gaat geleiden. Maar als alles supergeleidend is, dan kan een transistor niet uit staan, en werkt het dus in zijn geheel niet.

Er wordt trouwens wel iets gezegd over halfgeleider, dus misschien zit ik fout, maar het kan ook zijn dat daar supergeleider moest staan o.i.d. , en ik dus wel gelijk had.

[robvanwijk]

Bijna al het verbruik van chips gaat op aan lekstromen (zou je die kunnen verkleinen als je een gewone geleider vervangt door een supergeleider??) en het op- en ontladen van capaciteiten (ik ben geen electro-expert, maar zouden capaciteiten niet naar nul moeten gaan als de weerstand naar nul gaat?).
Dus ja, de transistors zelf kun je niet vervangen, maar een chip met veel transistors heeft heel veel interconnects, die je juist wel zou kunnen vervangen.

[Verwijderd]

De 2 atomen dikke supergeleidende folie. Als je met je muis over het plaatje gaat zie je het staan.
OT dit heeft veel mogelijkheden in de toekomst denk ik, weer de zoveelste goede ontwikkeling van dit jaar

[Blokmeister]

Ik vraag me af onder welke condities dit materiaal supergeleidend is. Als dit bij kamertemperatuur onder niet al te hoge druk al supergeleidend is, zou het super zijn, maar waarschijnlijk moet je richting het kookpunt van helium, tenzij je een forse druk erop zet.
Ik denk dus niet dat dit een ontwikkeling is die goed is voor een weerstandloze superpc waar Seroo het over heeft.

[Seroo]

daar wordt nergens over gesproken voor zover ik kan vinden op het net. Dus ik ga ervan uit dat het niet hele extreme omstandigheden nodig heeft. En het laat zien dat we steeds verder komen met de techniek.
*edit*

[Reactie gewijzigd door Seroo op 23 juli 2024 06:59]

[Blokmeister]

Dat zijn geen extreme omstandigheden voor supergeleiding, dus ik denk het zelf wel om eerlijk te zijn.
Supergeleiding vindt normaal gesproken plaats bij zeer lage temperaturen. Ik heb ergens (waarschijnlijk een paar jaar terug op tweakers) een artikel gelezen over waterstof gebonden aan silica (waarschijnlijk heb ik dit fout), waardoor de waterstof onder 'moleculaire druk' komt te staan, waardoor het bij redelijk warme omstandigheden supergeleiding vertoont. Maar zelfs hier spreken we over 170 graden onder nul.

[MrSnowflake]

Maar 170°C is nog 100K te warm voor super geleiding, dat vindt plaats bij bijna 0K, zo ver ik weet.

[Verwijderd]

Dit hangt erg van het materiaal af.
Er zijn allerlei gemaakte supergeleiders die al bij 170 K supergeleidend worden ( bv Ytrium-barium-koper-nog iets combi).

De meeste ' eenvoudige' supergeleiders worden echter pas bij veel lagere temperatuur supergeleidend.

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 23 juli 2024 06:59]

[Blokmeister]

Klopt, en dan kan het ook van de druk afhangen. Volgens mij is het wel mogelijk om bij kamertemperatuur een materiaal supergeleidend te maken, maar dan moet je het onder immens veel druk zetten.

[robvanwijk]

Daar wordt nergens over gesproken voor zover ik kan vinden op het net. Dus ik ga ervan uit dat het niet hele extreme omstandigheden nodig heeft.

Da's de grap van supergeleiding; als het werkt bij normale omstandigheden dan is dat extreem, maar als het alleen werkt bij extreme omstandigheden is dat normaal.

Geloof me, als dit spul supergeleidend was bij kamertemperatuur (of desnoods bij -100 c) dan had dat [i]heel[i] groot erbij gestaan. De eerste persoon die een supergeleider maakt die bij kamertemperatuur werkt kan zijn ticket naar Stockholm ook meteen bestellen!

[Verwijderd]

"waarmee het de dunste metalen halfgeleider ooit zou zijn" ?

en tegelijkertijd een supergeleider... daar heb ik een probleem mee.

in het originele artikel vind ik ook niets terug over dat het een semi-conductor zou zijn. ze hebben het dan wel op een silicium drager ontwikkeld maar dat doet niets ter zake ivm de ontwikkeling.

edit: ik zie dat het nu aangepast is.

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 23 juli 2024 06:59]

[Verwijderd]

Klopt, dit lijkt idd niet helemaal correct.
Het is wellicht de dunste supergeleider, maar het is geen halfgeleider...

Denk een foutje in dit artikel.

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 23 juli 2024 06:59]

[f2ostie]

Ik dacht altijd dat bij halfgeleiders de regel is, hoe lager de temperatuur, des te hoger de weerstand.

[robvanwijk]

Nee, voor alle materialen (minus een paar rare uitzonderingen: NTCs *) ) geldt: hoe lager de temperatuur, hoe lager de weerstand. De functie van temperatuur naar soortelijke weerstand is normaal gesproken continu. Er zijn echter materialen waar deze functie een discontinuïteit heeft: bij de zogenaamde kritische temperatuur springt de weerstand opeens naar nul (en blijft nul tot het absolute nulpunt).

*) Zie dat maar als een vuistregel, net zoals: materialen zetten uit als ze warmer worden. Da's ook zo'n algemene regel met twee belangrijke uitzonderingen: bevriezend water en stollend ijzer

[Verwijderd]

Al is het geen halfgeleider, supergeleiding is zelfs bruikbaar in halfgeleider toepassingen.
Neem bv on-chip spoelen met een hoge Q.

[Upquark]

Uber-n00bvraag, en tikkie offtopic ook nog, maar ben gewoon even nieuwsgierig: zo'n laag lood van 2 atomen dik, hoe zou dat er op macroschaal uitzien? Kun je er doorheen kijken? Is zoiets überhaupt zichtbaar?

[Goderic]

Deze loodlaag van 2 atomen dik ligt op silicium dus je zult er niet doorheen kunnen kijken.
Mocht je zo'n laag heb van 2 atomen dik zonder dat er iets (ondoorzichtig) onder ligt denk ik niet dat je het zult kunnen zien. Ik denk zelfs dat je het nieteens zou voelen moest je er door lopen of iets dergelijks.

[Verwijderd]

2 atomen dik zal inderdaad doorzichtig zijn.

Om even te vergelijken... een 10 nm dikke laag Titanium ziet er uit als een donkergrijze zonnebril. En dat is zo'n 30 atomen dik.