In het laboratorium van Cornell University stuitte een team wetenschappers bij toeval op een materiaal dat zich gedraagt alsof er tegelijkertijd twee tegengestelde werelden van elektronen in naast elkaar bestaan. Het gaat om romboëdrisch zeslagig grafeen — zes koolstoflagen die met een verschuiving in een zich herhalend patroon zijn gestapeld. In plaats van gedraaide lagen te bestuderen, verkregen de onderzoekers een nette stapel, en juist die onthulde onverwachte kwantumfasen.
Grafeen staat al lang bekend om zijn sterkte en geleidbaarheid, maar wanneer de lagen op een bepaalde manier worden gestapeld, gaan de elektronen veel sterker met elkaar in wisselwerking staan. In de zeslagige variant ontstaat bij een bepaalde ladingsdragerdichtheid en een extern elektrisch veld een regime waarin elektronen en gaten naast elkaar bestaan en sterk gecorreleerd zijn. Dat doet denken aan een menigte mensen waarin ieder de beweging van zijn buurman beïnvloedt in plaats van gewoon zijn eigen gang te gaan.
De metingen lieten het verdwijnen van de elektrische weerstand zien — een teken van supergeleiding — en een abnormaal Hall-effect dat wijst op orbitaal magnetisme. Twee supergeleidende toestanden ontstonden precies daar waar elektronen en gaten elkaar kruisen. Blijkbaar speelt hun wisselwerking een sleutelrol bij de vorming van deze fasen, wat niet was waargenomen in vijflagig grafeen.
Het apparaat werd tussen lagen boornitride geplaatst en met gatevelden aangestuurd. Door de temperatuur, het magneetveld en de dragerconcentratie te variëren, stelde het team een gedetailleerd fasediagram op. Daarop zijn duidelijk isolatoren die door wisselwerkingen worden veroorzaakt, gebieden van supergeleiding en twee soorten orbitaal magnetisme te zien. De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Physics.
De ontdekking is niet alleen belangrijk voor de fundamentele natuurkunde. Inzicht in hoe de wisselwerking tussen elektronen en gaten supergeleiding teweegbrengt zonder traditionele mechanismen kan de ontwikkeling van materialen die bij hogere temperaturen werken dichterbij brengen. Zulke materialen zijn nuttig in kwantumcomputers, energiezuinige transmissielijnen en nieuwe sensoren.
Momenteel verdiepen de onderzoekers zich in de aard van het orbitale magnetisme. Ze toetsen de hypothese dat een deel van de ladingsdragers een kristalachtige structuur vormt, terwijl de rest in een vloeistofachtige toestand blijft. Deze vragen reiken verder dan het huidige werk, maar nu al is duidelijk: zeslagig grafeen is een nieuw speelveld geworden voor de studie van kwantumcorrelaties.
De toevallige ontdekking herinnert er nog maar eens aan dat het in de wereld van tweedimensionale materialen volstaat het aantal lagen of hun onderlinge rangschikking te veranderen — en de vertrouwde eigenschappen veranderen in iets volstrekt nieuws.
