Superledning er et fysisk fenomen der den elektriske motstanden i et materiale faller til null ved en viss kritisk temperatur. Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)-teorien er en effektiv forklaring, som beskriver superledningsevnen i de fleste materialer. Den påpeker at Cooper-elektronpar dannes i krystallgitteret ved en tilstrekkelig lav temperatur, og at BCS-superledningsevnen kommer fra kondenseringen av disse. Selv om grafen i seg selv er en utmerket elektrisk leder, viser den ikke BCS-superledningsevne på grunn av undertrykkelsen av elektron-fonon-interaksjon. Dette er grunnen til at de fleste «gode» ledere (som gull og kobber) er «dårlige» superledere.
Forskere ved Center for Theoretical Physics of Complex Systems (PCS) ved Institute of Basic Science (IBS, Sør-Korea) rapporterte en ny alternativ mekanisme for å oppnå superledning i grafen. De oppnådde dette ved å foreslå et hybridsystem bestående av grafen og todimensjonalt Bose-Einstein-kondensat (BEC). Forskningen ble publisert i tidsskriftet 2D Materials.
Et hybridsystem bestående av elektrongass (øverste lag) i grafen, atskilt fra det todimensjonale Bose-Einstein-kondensatet, representert av indirekte eksitoner (blå og røde lag). Elektronene og eksitonene i grafen er koblet sammen av Coulomb-kraft.
(a) Temperaturavhengigheten til det superledende gapet i den bogolonmedierte prosessen med temperaturkorreksjon (stiplet linje) og uten temperaturkorreksjon (heltrukket linje). (b) Den kritiske temperaturen for superledende overgang som en funksjon av kondensattetthet for bogolonmedierte interaksjoner med (rød stiplet linje) og uten (svart heltrukket linje) temperaturkorreksjon. Den blå stiplede linjen viser BKT-overgangstemperaturen som en funksjon av kondensattetthet.
I tillegg til superledning er BEC et annet fenomen som oppstår ved lave temperaturer. Det er den femte tilstanden til materie som først ble forutsagt av Einstein i 1924. Dannelsen av BEC skjer når lavenergiatomer samles og går inn i samme energitilstand, som er et felt med omfattende forskning innen kondensert materiefysikk. Det hybride Bose-Fermi-systemet representerer i hovedsak samspillet mellom et lag med elektroner og et lag med bosoner, slik som indirekte eksitoner, eksiton-polaroner, og så videre. Samspillet mellom Bose- og Fermi-partikler førte til en rekke nye og fascinerende fenomener, som vekket interesse hos begge parter. Grunnleggende og anvendelsesorientert perspektiv.
I dette arbeidet rapporterte forskerne en ny superledende mekanisme i grafen, som skyldes samspillet mellom elektroner og «bogoloner» snarere enn fononene i et typisk BCS-system. Bogoloner eller Bogoliubov-kvasipartikler er eksitasjoner i BEC, som har visse egenskaper ved partikler. Innenfor visse parameterområder tillater denne mekanismen at den superledende kritiske temperaturen i grafen når så høyt som 70 Kelvin. Forskere har også utviklet en ny mikroskopisk BCS-teori som spesifikt fokuserer på systemer basert på ny hybridgrafen. Modellen de foreslo forutsier også at de superledende egenskapene kan øke med temperaturen, noe som resulterer i en ikke-monoton temperaturavhengighet av det superledende gapet.
I tillegg har studier vist at Dirac-dispersjonen av grafen er bevart i dette bogolon-medierte skjemaet. Dette indikerer at denne superledende mekanismen involverer elektroner med relativistisk dispersjon, og dette fenomenet har ikke blitt godt utforsket i kondensert materiefysikk.
Dette arbeidet avslører en annen måte å oppnå superledning ved høy temperatur. Samtidig kan vi justere superledningen til grafen ved å kontrollere kondensatets egenskaper. Dette viser en annen måte å kontrollere superledende enheter i fremtiden.
Publisert: 16. juli 2021 
