Supergeleiding is een natuurkundig fenomeen waarbij de elektrische weerstand van een materiaal bij een bepaalde kritische temperatuur tot nul daalt. De Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)-theorie is een effectieve verklaring, die de supergeleiding in de meeste materialen beschrijft. Deze theorie wijst erop dat Cooper-elektronenparen in het kristalrooster worden gevormd bij een voldoende lage temperatuur, en dat de BCS-supergeleiding voortkomt uit hun condensatie. Hoewel grafeen zelf een uitstekende elektrische geleider is, vertoont het geen BCS-supergeleiding vanwege de onderdrukking van de elektron-fononinteractie. Daarom zijn de meeste "goede" geleiders (zoals goud en koper) "slechte" supergeleiders.
Onderzoekers van het Centrum voor Theoretische Fysica van Complexe Systemen (PCS) van het Institute of Basic Science (IBS, Zuid-Korea) hebben een nieuw alternatief mechanisme beschreven om supergeleiding in grafeen te bereiken. Ze bereikten dit door een hybride systeem voor te stellen dat bestaat uit grafeen en tweedimensionaal Bose-Einsteincondensaat (BEC). Het onderzoek is 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 worden gekoppeld door de Coulomb-kracht.
(a) De temperatuurafhankelijkheid van de supergeleidende gap in het bogolon-gemedieerde proces met temperatuurcorrectie (stippellijn) en zonder temperatuurcorrectie (doorgetrokken lijn). (b) De kritische temperatuur van de supergeleidende overgang als functie van de condensaatdichtheid voor bogolon-gemedieerde interacties met (rode stippellijn) en zonder (zwarte doorgetrokken lijn) temperatuurcorrectie. De blauwe stippellijn toont de BKT-overgangstemperatuur als functie van de condensaatdichtheid.
Naast supergeleiding is BEC een ander fenomeen dat zich bij lage temperaturen voordoet. Het is de vijfde aggregatietoestand die Einstein in 1924 voor het eerst voorspelde. De vorming van BEC vindt plaats wanneer atomen met lage energie samenkomen en dezelfde energietoestand bereiken, een gebied van uitgebreid onderzoek in de fysica van de gecondenseerde materie. Het hybride Bose-Fermi-systeem vertegenwoordigt in wezen de interactie van een laag elektronen met een laag bosonen, zoals indirecte excitonen, exciton-polaronen, enzovoort. De interactie tussen Bose- en Fermi-deeltjes leidde tot een verscheidenheid aan nieuwe en fascinerende verschijnselen, die de interesse van beide partijen wekten. Een fundamenteel en toepassingsgericht perspectief.
In dit werk rapporteerden de onderzoekers een nieuw supergeleidend mechanisme in grafeen, dat te danken is aan de interactie tussen elektronen en "bogolons" in plaats van de fononen in een typisch BCS-systeem. Bogolons, of Bogoliubov-quasideeltjes, zijn excitaties in BEC, die bepaalde deeltjeskenmerken hebben. Binnen bepaalde parameterbereiken zorgt dit mechanisme ervoor dat de kritische temperatuur van supergeleiding in grafeen kan oplopen tot wel 70 Kelvin. Onderzoekers hebben ook een nieuwe microscopische BCS-theorie ontwikkeld die zich specifiek richt op systemen gebaseerd op nieuw hybride grafeen. Het model dat ze voorstelden voorspelt ook dat de supergeleidende eigenschappen kunnen toenemen met de temperatuur, wat resulteert in een niet-monotone temperatuurafhankelijkheid van de supergeleidende gap.
Bovendien hebben studies aangetoond dat de Dirac-dispersie van grafeen behouden blijft in dit bogolon-gemedieerde schema. Dit wijst erop dat dit supergeleidende mechanisme elektronen met relativistische dispersie omvat, en dit fenomeen is nog niet goed onderzocht in de fysica van de gecondenseerde materie.
Dit werk onthult een andere manier om supergeleiding bij hoge temperaturen te bereiken. Tegelijkertijd kunnen we, door de eigenschappen van het condensaat te controleren, de supergeleiding van grafeen aanpassen. Dit toont een andere manier om supergeleidende apparaten in de toekomst te controleren.
Plaatsingstijd: 16 juli 2021 
