Figura 1. Un sistema ibrido costituito da un gas di elettroni in grafene (strato superiore) separato da un condensato di Bose-Einstein bidimensionale, rappresentato da eccitoni indiretti (strati blu e rosso). Gli elettroni nel grafene e gli eccitoni sono accoppiati dalla forza di Coulomb. Credito:Istituto per le scienze di base
La superconduttività è un fenomeno fisico in cui la resistenza elettrica di un materiale scende a zero sotto una certa temperatura critica. La teoria di Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) è una spiegazione ben consolidata che descrive la superconduttività nella maggior parte dei materiali. Afferma che le coppie di elettroni Cooper si formano nel reticolo a una temperatura sufficientemente bassa e che la superconduttività BCS deriva dalla loro condensazione. Mentre il grafene stesso è un eccellente conduttore di elettricità, non mostra la superconduttività BCS a causa della soppressione delle interazioni elettrone-fonone. Questo è anche il motivo per cui la maggior parte dei conduttori "buoni" come l'oro e il rame sono superconduttori "cattivi".
Ricercatori del Centro di Fisica Teorica dei Sistemi Complessi (PCS), all'interno dell'Istituto per le Scienze di Base (IBS, Corea del Sud) hanno riferito di un nuovo meccanismo alternativo per ottenere la superconduttività nel grafene. Hanno raggiunto questa impresa proponendo un sistema ibrido costituito da grafene e condensato di Bose-Einstein 2D (BEC). Questa ricerca è pubblicata sulla rivista Materiali 2D .
Insieme alla superconduttività, BEC è un altro fenomeno che si verifica a basse temperature. È il quinto stato della materia predetto per la prima volta da Einstein nel 1924. La formazione di BEC si verifica quando gli atomi a bassa energia si aggregano ed entrano nello stesso stato energetico, ed è un'area ampiamente studiata nella fisica della materia condensata. Un sistema ibrido Bose-Fermi rappresenta essenzialmente uno strato di elettroni che interagiscono con uno strato di bosoni, come gli eccitoni indiretti, eccitone-polaritoni, ecc. L'interazione tra le particelle di Bose e Fermi porta a vari nuovi fenomeni affascinanti, che suscita interessi sia dal punto di vista fondamentale che da quello orientato all'applicazione.
Figura 2. (a) Dipendenza dalla temperatura del gap superconduttore per il processo mediato da bogolon con correzione della temperatura (tratteggiata) e senza correzione della temperatura (solido). (b) La temperatura critica della transizione di superconduttività in funzione della densità del condensato per l'interazione mediata da bogolon con (tratteggio rosso) e senza (solido nero) la correzione della temperatura. La linea tratteggiata blu mostra la temperatura di transizione BKT in funzione della densità della condensa. Credito:Istituto per le scienze di base
In questo lavoro, i ricercatori segnalano un nuovo meccanismo di superconduttività nel grafene, che nasce a causa delle interazioni tra elettroni e "bogolons, " piuttosto che fononi come nei tipici sistemi BCS. Bogolons, o quasiparticelle di Bogoliubov, sono eccitazione all'interno di BEC che ha alcune caratteristiche di una particella. In determinati intervalli di parametri, questo meccanismo consente la temperatura critica per la superconduttività fino a 70 Kelvin all'interno del grafene. I ricercatori hanno anche sviluppato una nuova teoria microscopica del BCS che si concentra specificamente sul nuovo sistema ibrido basato sul grafene. Il loro modello proposto prevede anche che le proprietà superconduttive possono essere migliorate con la temperatura, con conseguente dipendenza dalla temperatura non monotona del gap superconduttore.
Per di più, la ricerca ha mostrato che la dispersione di Dirac del grafene è preservata in questo schema mediato dal bogolon. Ciò indica che questo meccanismo superconduttore coinvolge elettroni con dispersione relativistica, un fenomeno che non è così ben esplorato nella fisica della materia condensata.
"Questo lavoro fa luce su un modo alternativo per ottenere la superconduttività ad alta temperatura. Nel frattempo, controllando le proprietà di un condensato, possiamo regolare la superconduttività del grafene. Questo suggerisce un altro canale per controllare i dispositivi superconduttori in futuro, " spiega Ivan Savenko, il leader del team Light-Matter Interaction in Nanostructures (LUMIN) presso il PCS IBS.
