La superconductivitat és un fenomen físic en què la resistència elèctrica d'un material cau a zero a una determinada temperatura crítica. La teoria de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) és una explicació eficaç, que descriu la superconductivitat en la majoria dels materials. Assenyala que els parells d'electrons de Cooper es formen a la xarxa cristal·lina a una temperatura prou baixa, i que la superconductivitat BCS prové de la seva condensació. Tot i que el grafè en si és un excel·lent conductor elèctric, no presenta superconductivitat BCS a causa de la supressió de la interacció electró-fonó. És per això que la majoria dels "bons" conductors (com l'or i el coure) són superconductors "dolents".
Investigadors del Centre de Física Teòrica de Sistemes Complexos (PCS) de l'Institut de Ciències Bàsiques (IBS, Corea del Sud) han descrit un nou mecanisme alternatiu per aconseguir la superconductivitat en el grafè. Van aconseguir aquesta fita proposant un sistema híbrid compost de grafè i condensat de Bose-Einstein bidimensional (BEC). La recerca es va publicar a la revista 2D Materials.
Un sistema híbrid que consisteix en gas d'electrons (capa superior) en grafè, separat del condensat bidimensional de Bose-Einstein, representat per excitons indirectes (capes blava i vermella). Els electrons i els excitons del grafè estan acoblats per la força de Coulomb.
(a) La dependència de la temperatura de l'espai superconductor en el procés mediat per bogolons amb correcció de temperatura (línia discontínua) i sense correcció de temperatura (línia contínua). (b) La temperatura crítica de la transició superconductora com a funció de la densitat del condensat per a les interaccions mediades per bogolons amb (línia discontínua vermella) i sense (línia contínua negra) correcció de temperatura. La línia blava de punts mostra la temperatura de transició BKT com a funció de la densitat del condensat.
A més de la superconductivitat, la BEC és un altre fenomen que es produeix a baixes temperatures. És el cinquè estat de la matèria predit per primera vegada per Einstein el 1924. La formació de BEC es produeix quan els àtoms de baixa energia s'agrupen i entren en el mateix estat energètic, que és un camp d'extensa investigació en física de la matèria condensada. El sistema híbrid de Bose-Fermi representa essencialment la interacció d'una capa d'electrons amb una capa de bosons, com ara excitons indirectes, excitons-polarons, etc. La interacció entre les partícules de Bose i Fermi va conduir a una varietat de fenòmens nous i fascinants, que van despertar l'interès d'ambdues parts. Visió bàsica i orientada a l'aplicació.
En aquest treball, els investigadors han descrit un nou mecanisme superconductor en el grafè, que es deu a la interacció entre els electrons i els "bogolons" en lloc dels fonons en un sistema BCS típic. Els bogolons o quasipartícules de Bogoliubov són excitacions en BEC, que tenen certes característiques de partícules. Dins de certs rangs de paràmetres, aquest mecanisme permet que la temperatura crítica superconductora en el grafè arribi fins als 70 Kelvin. Els investigadors també han desenvolupat una nova teoria BCS microscòpica que se centra específicament en sistemes basats en el nou grafè híbrid. El model que han proposat també prediu que les propietats superconductores poden augmentar amb la temperatura, donant lloc a una dependència de temperatura no monòtona de la bretxa superconductora.
A més, els estudis han demostrat que la dispersió de Dirac del grafè es preserva en aquest esquema mediat per bogolons. Això indica que aquest mecanisme superconductor implica electrons amb dispersió relativista, i aquest fenomen no s'ha explorat bé en la física de la matèria condensada.
Aquest treball revela una altra manera d'aconseguir superconductivitat a alta temperatura. Alhora, controlant les propietats del condensat, podem ajustar la superconductivitat del grafè. Això mostra una altra manera de controlar els dispositius superconductors en el futur.
Data de publicació: 16 de juliol de 2021 
