Supraledning är ett fysikaliskt fenomen där ett materials elektriska resistans sjunker till noll vid en viss kritisk temperatur. Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) teorin är en effektiv förklaring, som beskriver supraledningsförmågan i de flesta material. Den påpekar att Cooper-elektronpar bildas i kristallgittret vid en tillräckligt låg temperatur, och att BCS-supraledningsförmågan kommer från deras kondensation. Även om grafen i sig är en utmärkt elektrisk ledare, uppvisar den inte BCS-supraledningsförmåga på grund av undertryckandet av elektron-fonon-interaktion. Det är därför de flesta "bra" ledare (som guld och koppar) är "dåliga" supraledare.
Forskare vid Center for Theoretical Physics of Complex Systems (PCS) vid Institute of Basic Science (IBS, Sydkorea) har rapporterat en ny alternativ mekanism för att uppnå supraledning i grafen. De uppnådde denna bedrift genom att föreslå ett hybridsystem bestående av grafen och tvådimensionellt Bose-Einstein-kondensat (BEC). Forskningen publicerades i tidskriften 2D Materials.
Ett hybridsystem bestående av elektrongas (översta lagret) i grafen, separerat från det tvådimensionella Bose-Einstein-kondensatet, representerat av indirekta excitoner (blå och röda lager). Elektronerna och excitonerna i grafen är kopplade av Coulombkraft.
(a) Temperaturberoendet för det supraledande gapet i den bogolonmedierade processen med temperaturkorrigering (streckad linje) och utan temperaturkorrigering (heldragen linje). (b) Den kritiska temperaturen för supraledande övergång som en funktion av kondensatdensiteten för bogolonmedierade interaktioner med (röd streckad linje) och utan (svart heldragen linje) temperaturkorrigering. Den blå prickade linjen visar BKT-övergångstemperaturen som en funktion av kondensatdensiteten.
Förutom supraledning är BEC ett annat fenomen som uppstår vid låga temperaturer. Det är det femte tillståndet som först förutspåddes av Einstein 1924. Bildningen av BEC sker när lågenergiatomer samlas och intar samma energitillstånd, vilket är ett område med omfattande forskning inom kondenserad materies fysik. Hybrid-Bose-Fermi-systemet representerar i huvudsak interaktionen mellan ett lager av elektroner och ett lager av bosoner, såsom indirekta excitoner, exciton-polaroner och så vidare. Interaktionen mellan Bose- och Fermi-partiklar ledde till en mängd nya och fascinerande fenomen, som väckte intresse hos båda parter. Grundläggande och tillämpningsorienterad syn.
I detta arbete rapporterade forskarna en ny supraledande mekanism i grafen, som beror på interaktionen mellan elektroner och "bogoloner" snarare än fononerna i ett typiskt BCS-system. Bogoloner eller Bogoliubov-kvasipartiklar är excitationer i BEC, vilka har vissa egenskaper hos partiklar. Inom vissa parameterintervall tillåter denna mekanism att den supraledande kritiska temperaturen i grafen når så högt som 70 Kelvin. Forskare har också utvecklat en ny mikroskopisk BCS-teori som specifikt fokuserar på system baserade på ny hybridgrafen. Modellen de föreslog förutspår också att de supraledande egenskaperna kan öka med temperaturen, vilket resulterar i ett icke-monotoniskt temperaturberoende hos det supraledande gapet.
Dessutom har studier visat att Dirac-dispersionen av grafen bevaras i detta bogolonmedierade schema. Detta indikerar att denna supraledande mekanism involverar elektroner med relativistisk dispersion, och detta fenomen har inte utforskats väl inom kondenserad materiens fysik.
Detta arbete avslöjar ett annat sätt att uppnå supraledning vid höga temperaturer. Samtidigt kan vi, genom att kontrollera kondensatets egenskaper, justera grafens supraledningsförmåga. Detta visar på ett annat sätt att kontrollera supraledande komponenter i framtiden.
Publiceringstid: 16 juli 2021 
