La superconductivitat és un fenomen físic en què la resistència elèctrica d’un material baixa a zero a una certa temperatura crítica. La teoria de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) és una explicació eficaç, que descriu la superconductivitat en la majoria de materials. Assenyala que les parelles d’electrons de Cooper es formen a la gelosia de cristall a una temperatura prou baixa i que la superconductivitat BCS prové de la seva condensació. Tot i que el propi grafè és un excel·lent conductor elèctric, no presenta superconductivitat BCS a causa de la supressió de la interacció electrònica-fonó. És per això que la majoria de conductors “bons” (com l’or i el coure) són superconductors “dolents”.
Els investigadors del Centre de Física Teòrica dels Sistemes Complexos (PC) de l’Institut de Ciències Bàsiques (IBS, Corea del Sud) van informar d’un nou mecanisme alternatiu per aconseguir la superconductivitat en el grafè. Van aconseguir aquesta gesta proposant un sistema híbrid compost per grafè i condensat bose-einstein bidimensional (BEC). La investigació es va publicar a la revista 2D Materials.
Un sistema híbrid format per gas d’electrons (capa superior) en grafè, separat del condensat bose-einstein bidimensional, representat per excitons indirectes (capes blaves i vermelles). Els electrons i els excitons del grafè s’acoblen per la força Coulomb.
(a) La dependència de la temperatura de la bretxa superconductora en el procés mediat per bogolon amb correcció de temperatura (línia guionada) i sense correcció de temperatura (línia sòlida). (b) La temperatura crítica de la transició de superconducció en funció de la densitat de condensat per a les interaccions mediades per bogolon amb (línia vermella guionada) i sense correcció de temperatura (línia sòlida negra). La línia de punts blaus mostra la temperatura de transició BKT en funció de la densitat de condensat.
A més de la superconductivitat, BEC és un altre fenomen que es produeix a temperatures baixes. És el cinquè estat de matèria previst per primera vegada per Einstein el 1924. La formació de BEC es produeix quan els àtoms de baixa energia es reuneixen i entren al mateix estat energètic, que és un camp de recerca extensa en física de matèria condensada. El sistema híbrid Bose-Fermi representa essencialment la interacció d’una capa d’electrons amb una capa de bosons, com ara excitons indirectes, exciton polarons, etc. La interacció entre partícules de Bose i Fermi va provocar una varietat de fenòmens nous i fascinants, que van despertar l’interès d’ambdues parts. Vista bàsica i orientada a les aplicacions.
En aquest treball, els investigadors van informar d’un nou mecanisme de superconducció en el grafè, que es deu a la interacció entre electrons i “bogolons” en lloc dels fonons d’un sistema BCS típic. Els bogolons o les quasipartícules Bogoliubov són excitacions a BEC, que tenen certes característiques de les partícules. Dins de determinats intervals de paràmetres, aquest mecanisme permet que la temperatura crítica superconductora en el grafè arribi fins a 70 Kelvin. Els investigadors també han desenvolupat una nova teoria microscòpica de BCS que se centra específicament en sistemes basats en un nou grafè híbrid. El model que van proposar també preveu que les propietats superconductors poden augmentar amb la temperatura, donant lloc a una dependència de temperatura no monotònica de la bretxa superconductora.
A més, els estudis han demostrat que la dispersió de Dirac del grafè es conserva en aquest esquema mediat per Bogolon. Això indica que aquest mecanisme superconductor implica electrons amb dispersió relativista i aquest fenomen no ha estat ben explorat en la física de matèries condensades.
Aquest treball revela una altra manera d’aconseguir superconductivitat a alta temperatura. Al mateix temps, controlant les propietats del condensat, podem ajustar la superconductivitat del grafè. Això mostra una altra manera de controlar els dispositius superconductors en el futur.
Posada: el 16 de juliol-2021 
