Figur 1. Ett hybridsystem bestående av en elektrongas i grafen (översta lagret) separerat från ett tvådimensionellt Bose-Einstein-kondensat, representeras av indirekta excitoner (blå och röda lager). Elektronerna i grafenet och excitonerna är kopplade av Coulomb-kraften. Kredit:Institutet för grundvetenskap
Supraledning är ett fysiskt fenomen där det elektriska motståndet hos ett material sjunker till noll under en viss kritisk temperatur. Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) teori är en väletablerad förklaring som beskriver supraledning i de flesta material. Den anger att Cooper-elektronpar bildas i gittret under tillräckligt låg temperatur och att BCS-supraledning uppstår från deras kondensation. Även om grafen i sig är en utmärkt ledare av elektricitet, den uppvisar inte BCS-supraledning på grund av undertryckandet av elektron-fonon-interaktioner. Detta är också anledningen till att de flesta "bra" ledare som guld och koppar är "dåliga" supraledare.
Forskare vid Centrum för teoretisk fysik av komplexa system (PCS), inom Institutet för grundvetenskap (IBS, Sydkorea) har rapporterat om en ny alternativ mekanism för att uppnå supraledning i grafen. De uppnådde denna bedrift genom att föreslå ett hybridsystem bestående av grafen och 2D Bose-Einstein-kondensat (BEC). Denna forskning publiceras i tidskriften 2D-material .
Tillsammans med supraledning, BEC är ett annat fenomen som uppstår vid låga temperaturer. Det är det femte tillståndet av materia som först förutspåddes av Einstein 1924. Bildandet av BEC sker när lågenergiatomer klumpar ihop sig och går in i samma energitillstånd, och det är ett område som studeras flitigt inom den kondenserade materiens fysik. Ett hybrid Bose-Fermi-system representerar i huvudsak ett lager av elektroner som interagerar med ett lager av bosoner, såsom indirekta excitoner, exciton-polaritoner, etc. Interaktionen mellan Bose- och Fermi-partiklar leder till olika nya fascinerande fenomen, som väcker intressen ur både det grundläggande och tillämpningsorienterade perspektivet.
Figur 2. (a) Temperaturberoende för det supraledande gapet för bogolonmedierad process med temperaturkorrigering (streckad) och utan temperaturkorrigering (solid). (b) Den kritiska temperaturen för supraledningsövergången som en funktion av kondensatets densitet för bogolon-medierad interaktion med (röd streckad) och utan (svart fast) temperaturkorrektionen. Den blå streckade linjen visar BKT-övergångstemperaturen som en funktion av kondensatets densitet. Kredit:Institutet för grundvetenskap
I det här arbetet, forskarna rapporterar en ny mekanism för supraledning i grafen, som uppstår på grund av interaktioner mellan elektroner och "bogoloner, " snarare än fononer som i typiska BCS-system. Bogoloner, eller Bogoliubov kvasipartiklar, är excitation inom BEC som har vissa egenskaper hos en partikel. I vissa parametrar, denna mekanism tillåter den kritiska temperaturen för supraledning upp till 70 Kelvin i grafen. Forskarna utvecklade också en ny mikroskopisk BCS-teori som fokuserar specifikt på det nya hybridgrafenbaserade systemet. Deras föreslagna modell förutspår också att supraledande egenskaper kan förbättras med temperatur, vilket resulterar i det supraledande gapets icke-monotona temperaturberoende.
Vidare, forskningen visade att Dirac-spridningen av grafen är bevarad i detta bogolon-medierade schema. Detta indikerar att denna supraledande mekanism involverar elektroner med relativistisk spridning - ett fenomen som inte är så väl undersökt inom den kondenserade materiens fysik.
"Detta arbete belyser ett alternativt sätt att uppnå supraledning vid hög temperatur. Samtidigt, genom att kontrollera egenskaperna hos ett kondensat, vi kan ställa in supraledningsförmågan hos grafen. Detta föreslår en annan kanal för att styra supraledarenheterna i framtiden, " förklarar Ivan Savenko, ledaren för Light-Matter Interaction in Nanostructures (LUMIN)-teamet vid PCS IBS.
