Supergeleiding is een natuurkundig fenomeen waarbij de elektrische weerstand van een materiaal onder een bepaalde kritische temperatuur tot nul daalt. Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) theorie is een gevestigde verklaring die supergeleiding in de meeste materialen beschrijft. Het stelt dat Cooper-elektronenparen bij voldoende lage temperatuur in het rooster worden gevormd en dat BCS-supergeleiding voortkomt uit hun condensatie. Hoewel grafeen zelf een uitstekende geleider van elektriciteit is, het vertoont geen BCS-supergeleiding vanwege de onderdrukking van elektron-fonon-interacties. Dit is ook de reden dat de meeste 'goede' geleiders zoals goud en koper 'slechte' supergeleiders zijn.

Onderzoekers van het Centrum voor Theoretische Fysica van Complexe Systemen (PCS), binnen het Instituut voor Basiswetenschappen (IBS, Zuid-Korea) hebben gerapporteerd over een nieuw alternatief mechanisme om supergeleiding in grafeen te bereiken. Ze bereikten deze prestatie door een hybride systeem voor te stellen dat bestaat uit grafeen en 2D Bose-Einstein-condensaat (BEC). Dit onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift 2D-materialen .

Samen met supergeleiding, BEC is een ander fenomeen dat optreedt bij lage temperaturen. Het is de vijfde toestand van materie die voor het eerst werd voorspeld door Einstein in 1924. De vorming van BEC vindt plaats wanneer laagenergetische atomen samenklonteren en dezelfde energietoestand binnengaan, en het is een gebied dat veel wordt bestudeerd in de fysica van de gecondenseerde materie. Een hybride Bose-Fermi-systeem vertegenwoordigt in wezen een laag elektronen die interageert met een laag bosonen, zoals indirecte excitonen, exciton-polaritonen, enz. De interactie tussen Bose- en Fermi-deeltjes leidt tot verschillende nieuwe fascinerende verschijnselen, die zowel de fundamentele als de toepassingsgerichte perspectieven wekt.

In dit werk, de onderzoekers rapporteren een nieuw mechanisme van supergeleiding in grafeen, die ontstaat door interacties tussen elektronen en "bogolons, " in plaats van fononen zoals in typische BCS-systemen. Bogolons, of Bogoliubov quasideeltjes, zijn excitatie binnen BEC die enkele kenmerken van een deeltje heeft. In bepaalde reeksen van parameters, dit mechanisme maakt de kritische temperatuur voor supergeleiding tot 70 Kelvin in grafeen mogelijk. De onderzoekers ontwikkelden ook een nieuwe microscopische BCS-theorie die zich specifiek richt op het nieuwe hybride op grafeen gebaseerde systeem. Hun voorgestelde model voorspelt ook dat supergeleidende eigenschappen kunnen worden verbeterd met temperatuur, wat resulteert in de niet-monotone temperatuurafhankelijkheid van de supergeleidende spleet.

Verder, het onderzoek toonde aan dat de Dirac-dispersie van grafeen behouden blijft in dit door bogolon gemedieerde schema. Dit geeft aan dat dit supergeleidende mechanisme elektronen met relativistische dispersie omvat - een fenomeen dat niet zo goed is onderzocht in de fysica van de gecondenseerde materie.

"Dit werk werpt licht op een alternatieve manier om supergeleiding bij hoge temperaturen te bereiken. Ondertussen, door de eigenschappen van een condensaat te regelen, we kunnen de supergeleiding van grafeen afstemmen. Dit suggereert een ander kanaal om de supergeleidende apparaten in de toekomst te besturen, " legt Ivan Savenko uit, de leider van het Light-Matter Interaction in Nanostructures (LUMIN) team bij het PCS IBS.