Superledning er et fysisk fænomen, hvor et materiales elektriske modstand falder til nul ved en bestemt kritisk temperatur. Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) teorien er en effektiv forklaring, som beskriver superledningsevnen i de fleste materialer. Den påpeger, at Cooper-elektronpar dannes i krystalgitteret ved en tilstrækkelig lav temperatur, og at BCS-superledningsevnen kommer fra deres kondensation. Selvom grafen i sig selv er en fremragende elektrisk leder, udviser den ikke BCS-superledningsevne på grund af undertrykkelsen af elektron-fonon-interaktion. Dette er grunden til, at de fleste "gode" ledere (såsom guld og kobber) er "dårlige" superledere.
Forskere ved Center for Theoretical Physics of Complex Systems (PCS) ved Institute of Basic Science (IBS, Sydkorea) har rapporteret en ny alternativ mekanisme til at opnå superledning i grafen. De opnåede dette ved at foreslå et hybridsystem bestående af grafen og todimensionelt Bose-Einstein-kondensat (BEC). Forskningen blev offentliggjort i tidsskriftet 2D Materials.
Et hybridsystem bestående af elektrongas (øverste lag) i grafen, adskilt fra det todimensionelle Bose-Einstein-kondensat, repræsenteret af indirekte excitoner (blå og røde lag). Elektronerne og excitonerne i grafen er koblet sammen af Coulomb-kraften.
(a) Temperaturafhængigheden af det superledende gab i den bogolon-medierede proces med temperaturkorrektion (stiplet linje) og uden temperaturkorrektion (fuld linje). (b) Den kritiske temperatur for superledende overgang som funktion af kondensatdensitet for bogolon-medierede interaktioner med (rød stiplet linje) og uden (sort fuldt optrukket linje) temperaturkorrektion. Den blå stiplede linje viser BKT-overgangstemperaturen som funktion af kondensatdensitet.
Ud over superledning er BEC et andet fænomen, der opstår ved lave temperaturer. Det er den femte tilstandsform, som Einstein først forudsagde i 1924. Dannelsen af BEC sker, når lavenergiatomer samles og går ind i den samme energitilstand, hvilket er et felt med omfattende forskning inden for kondenseret materiefysik. Det hybride Bose-Fermi-system repræsenterer i bund og grund interaktionen mellem et lag af elektroner og et lag af bosoner, såsom indirekte excitoner, exciton-polaroner osv. Interaktionen mellem Bose- og Fermi-partikler førte til en række nye og fascinerende fænomener, som vakte begge parters interesse. Grundlæggende og anvendelsesorienteret perspektiv.
I dette arbejde rapporterede forskerne en ny superledende mekanisme i grafen, som skyldes interaktionen mellem elektroner og "bogoloner" snarere end fononerne i et typisk BCS-system. Bogoloner eller Bogoliubov-kvasipartikler er excitationer i BEC, som har visse karakteristika for partikler. Inden for bestemte parameterområder tillader denne mekanisme, at den superledende kritiske temperatur i grafen når så højt som 70 Kelvin. Forskerne har også udviklet en ny mikroskopisk BCS-teori, der specifikt fokuserer på systemer baseret på ny hybrid grafen. Den model, de foreslog, forudsiger også, at de superledende egenskaber kan stige med temperaturen, hvilket resulterer i en ikke-monoton temperaturafhængighed af det superledende gab.
Derudover har undersøgelser vist, at Dirac-dispersionen af grafen bevares i dette bogolon-medierede skema. Dette indikerer, at denne superledende mekanisme involverer elektroner med relativistisk dispersion, og dette fænomen er ikke blevet grundigt udforsket i kondenseret stoffysik.
Dette arbejde afslører en anden måde at opnå superledning ved høje temperaturer. Samtidig kan vi justere grafens superledning ved at kontrollere kondensatets egenskaber. Dette viser en anden måde at kontrollere superledende enheder i fremtiden.
Opslagstidspunkt: 16. juli 2021 
