Supraconductivitatea este un fenomen fizic în care rezistența electrică a unui material scade la zero la o anumită temperatură critică. Teoria Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) este o explicație eficientă, care descrie supraconductivitatea în majoritatea materialelor. Aceasta subliniază faptul că perechile de electroni Cooper se formează în rețeaua cristalină la o temperatură suficient de scăzută și că supraconductivitatea BCS provine din condensarea acestora. Deși grafenul în sine este un conductor electric excelent, acesta nu prezintă supraconductivitate BCS din cauza suprimării interacțiunii electron-fonon. Acesta este motivul pentru care majoritatea conductorilor „buni” (cum ar fi aurul și cuprul) sunt supraconductori „răi”.
Cercetătorii de la Centrul pentru Fizică Teoretică a Sistemelor Complexe (PCS) din cadrul Institutului de Științe de Bază (IBS, Coreea de Sud) au raportat un nou mecanism alternativ pentru a obține supraconductivitatea grafenului. Ei au realizat această performanță propunând un sistem hibrid compus din grafen și condensat Bose-Einstein bidimensional (BEC). Studiul a fost publicat în revista 2D Materials.
Un sistem hibrid format din gaz de electroni (stratul superior) din grafen, separat de condensatul bidimensional Bose-Einstein, reprezentat de excitoni indirecți (straturi albastre și roșii). Electronii și excitonii din grafen sunt cuplați prin forța Coulomb.
(a) Dependența de temperatură a spațiului supraconductor în procesul mediat de bogolon cu corecția temperaturii (linie punctată) și fără corecția temperaturii (linie continuă). (b) Temperatura critică a tranziției supraconductoare în funcție de densitatea condensatului pentru interacțiunile mediate de bogolon cu (linie punctată roșie) și fără (linie continuă neagră) corecția temperaturii. Linia punctată albastră arată temperatura de tranziție BKT în funcție de densitatea condensatului.
Pe lângă supraconductivitate, BEC este un alt fenomen care apare la temperaturi scăzute. Este a cincea stare a materiei prezisă pentru prima dată de Einstein în 1924. Formarea BEC are loc atunci când atomii de energie scăzută se adună și intră în aceeași stare energetică, acesta fiind un domeniu de cercetare extinsă în fizica materiei condensate. Sistemul hibrid Bose-Fermi reprezintă în esență interacțiunea unui strat de electroni cu un strat de bosoni, cum ar fi excitonii indirecți, exciton-polaronii și așa mai departe. Interacțiunea dintre particulele Bose și Fermi a condus la o varietate de fenomene noi și fascinante, care au stârnit interesul ambelor părți. Perspectivă de bază și orientată spre aplicații.
În această lucrare, cercetătorii au raportat un nou mecanism supraconductor în grafen, care se datorează interacțiunii dintre electroni și „bogoloni” mai degrabă decât fononii dintr-un sistem BCS tipic. Bogolonii sau cvasiparticulele Bogoliubov sunt excitații în BEC, care au anumite caracteristici ale particulelor. În anumite intervale de parametri, acest mecanism permite ca temperatura critică supraconductoare din grafen să atingă până la 70 Kelvin. Cercetătorii au dezvoltat, de asemenea, o nouă teorie BCS microscopică care se concentrează în mod specific pe sistemele bazate pe grafen hibrid nou. Modelul propus prezice, de asemenea, că proprietățile supraconductoare pot crește odată cu temperatura, rezultând o dependență de temperatură non-monotonă a spațiului supraconductor.
În plus, studiile au arătat că dispersia Dirac a grafenului este păstrată în această schemă mediată de bogoloni. Acest lucru indică faptul că acest mecanism supraconductor implică electroni cu dispersie relativistă, iar acest fenomen nu a fost bine explorat în fizica materiei condensate.
Această lucrare dezvăluie o altă modalitate de a obține supraconductivitatea la temperaturi ridicate. În același timp, prin controlul proprietăților condensatului, putem ajusta supraconductivitatea grafenului. Aceasta arată o altă modalitate de a controla dispozitivele supraconductoare în viitor.
Data publicării: 16 iulie 2021 
