A szupravezetés egy fizikai jelenség, amelyben egy anyag elektromos ellenállása nullára csökken egy bizonyos kritikus hőmérsékleten. A Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) elmélet egy hatékony magyarázat, amely a legtöbb anyag szupravezetését írja le. Rámutat, hogy a Cooper-elektronpárok kellően alacsony hőmérsékleten alakulnak ki a kristályrácsban, és hogy a BCS szupravezetés ezek kondenzációjából származik. Bár maga a grafén kiváló elektromos vezető, az elektron-fonon kölcsönhatás elnyomása miatt nem mutat BCS szupravezetést. Ezért a legtöbb „jó” vezető (mint például az arany és a réz) „rossz” szupravezető.
Az Institute of Basic Science (IBS, Dél-Korea) Komplex Rendszerek Elméleti Fizikai Központjának (PCS) kutatói egy új alternatív mechanizmusról számoltak be, amellyel szupravezetést lehet elérni grafénben. Ezt a teljesítményt egy grafénből és kétdimenziós Bose-Einstein kondenzátumból (BEC) álló hibrid rendszer javaslatával érték el. A kutatás a 2D Materials folyóiratban jelent meg.
Egy hibrid rendszer, amely grafénben lévő elektrongázból (felső réteg) áll, elválasztva a kétdimenziós Bose-Einstein kondenzátumtól, amelyet indirekt excitonok (kék és piros rétegek) képviselnek. A grafénben lévő elektronokat és excitonokat Coulomb-erő kapcsolja össze.
(a) A szupravezető rés hőmérsékletfüggése a bogolon-közvetített folyamatban hőmérséklet-korrekcióval (szaggatott vonal) és hőmérséklet-korrekció nélkül (folytonos vonal). (b) A szupravezető átmenet kritikus hőmérséklete a kondenzátum sűrűségének függvényében bogolon-közvetített kölcsönhatások esetén hőmérséklet-korrekcióval (piros szaggatott vonal) és anélkül (fekete folytonos vonal). A kék szaggatott vonal a BKT átmeneti hőmérsékletet mutatja a kondenzátum sűrűségének függvényében.
A szupravezetés mellett a BEC egy másik jelenség, amely alacsony hőmérsékleten fordul elő. Ez az anyag ötödik halmazállapota, amelyet először Einstein jósolt meg 1924-ben. A BEC kialakulása akkor következik be, amikor az alacsony energiájú atomok összegyűlnek és ugyanabba az energiaállapotba kerülnek, ami a kondenzált anyagok fizikájában széleskörű kutatások területe. A hibrid Bose-Fermi rendszer lényegében egy elektronréteg és egy bozonréteg, például indirekt excitonok, exciton-polaronok stb. kölcsönhatását jelenti. A Bose- és Fermi-részecskék közötti kölcsönhatás számos új és lenyűgöző jelenséghez vezetett, amelyek mindkét fél érdeklődését felkeltették. Alapvető és alkalmazásorientált nézőpont.
Ebben a munkában a kutatók egy új szupravezető mechanizmusról számoltak be a grafénben, amely az elektronok és a „bogolonok” közötti kölcsönhatásnak köszönhető, nem pedig a fononoknak egy tipikus BCS rendszerben. A bogolonok vagy Bogoliubov kvázirészecskék gerjesztések a BEC-ben, amelyek bizonyos részecskék tulajdonságaival rendelkeznek. Bizonyos paramétertartományokon belül ez a mechanizmus lehetővé teszi, hogy a grafén szupravezető kritikus hőmérséklete elérje a 70 Kelvint. A kutatók egy új mikroszkopikus BCS elméletet is kidolgoztak, amely kifejezetten az új hibrid grafénen alapuló rendszerekre összpontosít. Az általuk javasolt modell azt is előrejelzi, hogy a szupravezető tulajdonságok a hőmérséklettel növekedhetnek, ami a szupravezető rés nem monoton hőmérsékletfüggését eredményezi.
Ezenkívül tanulmányok kimutatták, hogy a grafén Dirac-diszperziója megmarad ebben a bogolon-közvetített sémában. Ez arra utal, hogy ez a szupravezető mechanizmus relativisztikus diszperziójú elektronokat foglal magában, és ezt a jelenséget a kondenzált anyagok fizikájában még nem vizsgálták kellőképpen.
Ez a munka egy újabb módszert tár fel a magas hőmérsékletű szupravezetés elérésére. Ugyanakkor a kondenzátum tulajdonságainak szabályozásával beállíthatjuk a grafén szupravezetését. Ez egy másik módszert mutat a szupravezető eszközök jövőbeli szabályozására.
Közzététel ideje: 2021. július 16. 
