Ny mekanisme for superledning opdaget i grafen

Superledning er et fysisk fænomen, hvor den elektriske modstand af et materiale falder til nul under en bestemt kritisk temperatur. Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) teori er en veletableret forklaring, der beskriver superledning i de fleste materialer. Den siger, at Cooper-elektronpar dannes i gitteret under tilstrækkelig lav temperatur, og at BCS-superledning opstår ved deres kondensering. Mens grafen i sig selv er en fremragende leder af elektricitet, det udviser ikke BCS-superledning på grund af undertrykkelsen af ​​elektron-fonon-interaktioner. Dette er også grunden til, at de fleste 'gode' ledere som guld og kobber er 'dårlige' superledere.

Forskere ved Center for Teoretisk Fysik af Komplekse Systemer (PCS), inden for Institut for Grundvidenskab (IBS, Sydkorea) har rapporteret om en ny alternativ mekanisme til at opnå superledning i grafen. De opnåede denne bedrift ved at foreslå et hybridsystem bestående af grafen og 2D Bose-Einstein-kondensat (BEC). Denne forskning er publiceret i tidsskriftet 2D materialer .

Sammen med superledning, BEC er et andet fænomen, der opstår ved lave temperaturer. Det er den femte stoftilstand, der først blev forudsagt af Einstein i 1924. Dannelsen af ​​BEC sker, når lavenergiatomer klumper sig sammen og går ind i den samme energitilstand, og det er et område, der er meget studeret i det kondenserede stofs fysik. Et hybridt Bose-Fermi-system repræsenterer i det væsentlige et lag af elektroner, der interagerer med et lag af bosoner, såsom indirekte excitoner, exciton-polaritoner, osv. Interaktionen mellem Bose og Fermi partikler fører til forskellige nye fascinerende fænomener, som vækker interesser fra både det grundlæggende og anvendelsesorienterede perspektiv.

I dette arbejde, forskerne rapporterer om en ny mekanisme for superledning i grafen, som opstår på grund af interaktioner mellem elektroner og "bogoloner, " snarere end fononer som i typiske BCS-systemer. Bogoloner, eller Bogoliubov kvasipartikler, er excitation inden for BEC, som har nogle karakteristika af en partikel. I visse rækker af parametre, denne mekanisme tillader den kritiske temperatur for superledning op til 70 Kelvin i grafen. Forskerne udviklede også en ny mikroskopisk BCS-teori, som fokuserer specifikt på det nye hybride grafenbaserede system. Deres foreslåede model forudsiger også, at superledende egenskaber kan forbedres med temperatur, hvilket resulterer i den ikke-monotone temperaturafhængighed af det superledende mellemrum.

Desuden, forskningen viste, at Dirac-spredningen af ​​grafen er bevaret i dette bogolon-medierede skema. Dette indikerer, at denne superledende mekanisme involverer elektroner med relativistisk spredning - et fænomen, der ikke er så godt udforsket i fysik af kondenseret stof.

"Dette arbejde kaster lys over en alternativ måde at opnå superledning ved høje temperaturer på. I mellemtiden, ved at kontrollere egenskaberne af et kondensat, vi kan tune superledningsevnen af ​​grafen. Dette foreslår en anden kanal til at styre superlederenhederne i fremtiden, " forklarer Ivan Savenko, lederen af ​​Light-Matter Interaction in Nanostructures (LUMIN) teamet på PCS IBS.