Nadprzewodnictwo to zjawisko fizyczne, w którym opór elektryczny materiału spada do zera w określonej temperaturze krytycznej. Teoria Bardeena-Coopera-Schrieffera (BCS) stanowi skuteczne wyjaśnienie tego zjawiska, opisujące nadprzewodnictwo w większości materiałów. Zakłada ona, że pary elektronowe Coopera tworzą się w sieci krystalicznej w wystarczająco niskiej temperaturze, a nadprzewodnictwo BCS wynika z ich kondensacji. Chociaż sam grafen jest doskonałym przewodnikiem elektrycznym, nie wykazuje nadprzewodnictwa BCS ze względu na tłumienie oddziaływania elektron-fonon. Dlatego większość „dobrych” przewodników (takich jak złoto i miedź) jest „złymi” nadprzewodnikami.
Naukowcy z Centrum Fizyki Teoretycznej Układów Złożonych (PCS) w Instytucie Nauk Podstawowych (IBS, Korea Południowa) opisali nowy, alternatywny mechanizm uzyskiwania nadprzewodnictwa w grafenie. Osiągnęli to, proponując hybrydowy system składający się z grafenu i dwuwymiarowego kondensatu Bosego-Einsteina (BEC). Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie „2D Materials”.
Układ hybrydowy składający się z gazu elektronowego (warstwa wierzchnia) w grafenie, oddzielonego od dwuwymiarowego kondensatu Bosego-Einsteina, reprezentowanego przez ekscytony pośrednie (warstwy niebieska i czerwona). Elektrony i ekscytony w grafenie są sprzężone siłą Coulomba.
(a) Zależność temperaturowa przerwy nadprzewodzącej w procesie z udziałem bogolona z korektą temperaturową (linia przerywana) i bez korekty temperaturowej (linia ciągła). (b) Temperatura krytyczna przejścia nadprzewodzącego jako funkcja gęstości kondensatu dla oddziaływań z udziałem bogolona z korektą temperaturową (czerwona linia przerywana) i bez (czarna linia ciągła). Niebieska linia przerywana przedstawia temperaturę przejścia BKT jako funkcję gęstości kondensatu.
Oprócz nadprzewodnictwa, BEC to kolejne zjawisko występujące w niskich temperaturach. Jest to piąty stan materii po raz pierwszy przewidziany przez Einsteina w 1924 roku. Powstawanie BEC następuje, gdy atomy o niskiej energii łączą się i osiągają ten sam stan energetyczny, co stanowi przedmiot szeroko zakrojonych badań w fizyce materii skondensowanej. Hybrydowy układ Bosego-Fermiego zasadniczo reprezentuje interakcję warstwy elektronów z warstwą bozonów, takich jak ekscytony pośrednie, ekscytony-polaron itd. Interakcja między cząstkami Bosego i Fermiego doprowadziła do szeregu nowych i fascynujących zjawisk, które wzbudziły zainteresowanie obu stron. Podstawowe i zorientowane na zastosowania spojrzenie.
W tej pracy naukowcy opisali nowy mechanizm nadprzewodnictwa w grafenie, który wynika z oddziaływania elektronów z „bogolonami”, a nie z fononów w typowym układzie BCS. Bogolony, czyli kwazicząstki Bogolubowa, to wzbudzenia w BEC, które charakteryzują się pewnymi cechami cząstek. W pewnych zakresach parametrów mechanizm ten pozwala na osiągnięcie krytycznej temperatury nadprzewodnictwa w grafenie nawet do 70 kelwinów. Naukowcy opracowali również nową mikroskopową teorię BCS, która koncentruje się na układach opartych na nowym, hybrydowym grafenie. Zaproponowany przez nich model przewiduje również, że właściwości nadprzewodzące mogą rosnąć wraz z temperaturą, co skutkuje niemonotoniczną zależnością temperatury przerwy nadprzewodzącej.
Ponadto badania wykazały, że dyspersja Diraca grafenu jest zachowana w tym schemacie bogolonowym. Wskazuje to, że ten mechanizm nadprzewodzący obejmuje elektrony o dyspersji relatywistycznej, a zjawisko to nie zostało dobrze zbadane w fizyce materii skondensowanej.
Niniejsza praca ujawnia inny sposób osiągnięcia nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego. Jednocześnie, kontrolując właściwości kondensatu, możemy regulować nadprzewodnictwo grafenu. To pokazuje kolejny sposób sterowania urządzeniami nadprzewodzącymi w przyszłości.
Czas publikacji: 16 lipca 2021 r. 
