Supergeleiding is een fysisch fenomeen waarbij de elektrische weerstand van een materiaal tot nul daalt bij een bepaalde kritische temperatuur. De Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)-theorie is een effectieve verklaring voor de supergeleiding in de meeste materialen. Deze theorie stelt dat Cooper-elektronenparen in het kristalrooster worden gevormd bij een voldoende lage temperatuur en dat de BCS-supergeleiding voortkomt uit de condensatie van deze paren. Hoewel grafeen zelf een uitstekende elektrische geleider is, vertoont het geen BCS-supergeleiding vanwege de onderdrukking van de elektron-fonon-interactie. Dit is de reden waarom de meeste "goede" geleiders (zoals goud en koper) "slechte" supergeleiders zijn.
Onderzoekers van het Center for Theoretical Physics of Complex Systems (PCS) aan het Institute of Basic Science (IBS, Zuid-Korea) hebben een nieuw alternatief mechanisme gerapporteerd om supergeleiding in grafeen te bereiken. Ze bereikten dit door een hybride systeem voor te stellen dat bestaat uit grafeen en een tweedimensionaal Bose-Einsteincondensaat (BEC). Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift 2D Materials.
Een hybride systeem bestaande uit elektronengas (bovenste laag) in grafeen, gescheiden van het tweedimensionale Bose-Einsteincondensaat, weergegeven door indirecte excitonen (blauwe en rode lagen). De elektronen en excitonen in grafeen zijn gekoppeld door de Coulombkracht.
(a) De temperatuurafhankelijkheid van de supergeleidende gap in het bogolon-gemedieerde proces met temperatuurcorrectie (gestippelde lijn) en zonder temperatuurcorrectie (ononderbroken lijn). (b) De kritische temperatuur van de supergeleidende overgang als functie van de condensaatdichtheid voor bogolon-gemedieerde interacties met (rode gestippelde lijn) en zonder (zwarte ononderbroken lijn) temperatuurcorrectie. De blauwe stippellijn toont de BKT-overgangstemperatuur als functie van de condensaatdichtheid.
Naast supergeleiding is een Bose-Einstein-condensaat (BEC) een ander fenomeen dat bij lage temperaturen optreedt. Het is de vijfde aggregatietoestand van materie, voor het eerst voorspeld door Einstein in 1924. De vorming van een BEC vindt plaats wanneer atomen met een lage energie zich verzamelen en dezelfde energietoestand bereiken. Dit is een uitgebreid onderzoeksgebied binnen de vastestoffysica. Het hybride Bose-Fermi-systeem vertegenwoordigt in essentie de interactie van een laag elektronen met een laag bosonen, zoals indirecte excitonen, exciton-polaronen, enzovoort. De interactie tussen Bose- en Fermi-deeltjes heeft geleid tot een verscheidenheid aan nieuwe en fascinerende fenomenen, die de interesse van beide partijen hebben gewekt. Zowel vanuit een fundamenteel als een toepassingsgericht perspectief.
In dit onderzoek rapporteerden de onderzoekers een nieuw supergeleidingsmechanisme in grafeen, dat te danken is aan de interactie tussen elektronen en "bogolonen" in plaats van de fononen in een typisch BCS-systeem. Bogolonen, ook wel Bogoliubov-quasideeltjes genoemd, zijn excitaties in een BEC (Bose-Einstein-condensaat) die bepaalde deeltjeskenmerken bezitten. Binnen bepaalde parameterbereiken maakt dit mechanisme het mogelijk dat de kritische supergeleidingstemperatuur in grafeen oploopt tot wel 70 Kelvin. De onderzoekers hebben tevens een nieuwe microscopische BCS-theorie ontwikkeld die specifiek gericht is op systemen gebaseerd op een nieuw hybride grafeen. Het door hen voorgestelde model voorspelt bovendien dat de supergeleidende eigenschappen kunnen toenemen met de temperatuur, wat resulteert in een niet-monotone temperatuurafhankelijkheid van de supergeleidingsgap.
Bovendien hebben studies aangetoond dat de Dirac-dispersie van grafeen behouden blijft in dit bogolon-gemedieerde schema. Dit wijst erop dat dit supergeleidingsmechanisme elektronen met relativistische dispersie omvat, en dit fenomeen is nog niet goed onderzocht in de vastestoffysica.
Dit onderzoek onthult een andere manier om supergeleiding bij hoge temperaturen te bereiken. Tegelijkertijd kunnen we, door de eigenschappen van het condensaat te beheersen, de supergeleiding van grafeen aanpassen. Dit biedt een nieuwe mogelijkheid om supergeleidende apparaten in de toekomst te besturen.
Geplaatst op: 16 juli 2021 
