Η υπεραγωγιμότητα είναι ένα φυσικό φαινόμενο στο οποίο η ηλεκτρική αντίσταση ενός υλικού πέφτει στο μηδέν σε μια ορισμένη κρίσιμη θερμοκρασία. Η θεωρία Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) είναι μια αποτελεσματική εξήγηση, η οποία περιγράφει την υπεραγωγιμότητα στα περισσότερα υλικά. Επισημαίνει ότι τα ζεύγη ηλεκτρονίων Cooper σχηματίζονται στο κρυσταλλικό πλέγμα σε αρκετά χαμηλή θερμοκρασία και ότι η υπεραγωγιμότητα BCS προέρχεται από τη συμπύκνωσή τους. Αν και το ίδιο το γραφένιο είναι ένας εξαιρετικός ηλεκτρικός αγωγός, δεν εμφανίζει υπεραγωγιμότητα BCS λόγω της καταστολής της αλληλεπίδρασης ηλεκτρονίων-φωνονίων. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι περισσότεροι «καλοί» αγωγοί (όπως ο χρυσός και ο χαλκός) είναι «κακοί» υπεραγωγοί.
Ερευνητές στο Κέντρο Θεωρητικής Φυσικής Σύνθετων Συστημάτων (PCS) στο Ινστιτούτο Βασικών Επιστημών (IBS, Νότια Κορέα) ανέφεραν έναν νέο εναλλακτικό μηχανισμό για την επίτευξη υπεραγωγιμότητας στο γραφένιο. Το πέτυχαν αυτό προτείνοντας ένα υβριδικό σύστημα που αποτελείται από γραφένιο και δισδιάστατο συμπύκνωμα Bose-Einstein (BEC). Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο περιοδικό 2D Materials.
Ένα υβριδικό σύστημα που αποτελείται από αέριο ηλεκτρονίων (ανώτερο στρώμα) σε γραφένιο, διαχωρισμένο από το δισδιάστατο συμπύκνωμα Bose-Einstein, που αντιπροσωπεύεται από έμμεσα εξιτόνια (μπλε και κόκκινα στρώματα). Τα ηλεκτρόνια και τα εξιτόνια στο γραφένιο συνδέονται με δύναμη Coulomb.
(α) Η εξάρτηση του υπεραγώγιμου κενού από τη θερμοκρασία στη διεργασία που προκαλείται από bogolon με διόρθωση θερμοκρασίας (διακεκομμένη γραμμή) και χωρίς διόρθωση θερμοκρασίας (συνεχής γραμμή). (β) Η κρίσιμη θερμοκρασία της υπεραγώγιμης μετάβασης ως συνάρτηση της πυκνότητας συμπυκνώματος για αλληλεπιδράσεις που προκαλούνται από bogolon με (κόκκινη διακεκομμένη γραμμή) και χωρίς (μαύρη συνεχή γραμμή) διόρθωση θερμοκρασίας. Η μπλε διακεκομμένη γραμμή δείχνει τη θερμοκρασία μετάβασης BKT ως συνάρτηση της πυκνότητας συμπυκνώματος.
Εκτός από την υπεραγωγιμότητα, το BEC είναι ένα άλλο φαινόμενο που εμφανίζεται σε χαμηλές θερμοκρασίες. Είναι η πέμπτη κατάσταση της ύλης που προβλέφθηκε για πρώτη φορά από τον Αϊνστάιν το 1924. Ο σχηματισμός του BEC συμβαίνει όταν άτομα χαμηλής ενέργειας συγκεντρώνονται και εισέρχονται στην ίδια ενεργειακή κατάσταση, η οποία αποτελεί πεδίο εκτεταμένης έρευνας στη φυσική συμπυκνωμένης ύλης. Το υβριδικό σύστημα Bose-Fermi ουσιαστικά αντιπροσωπεύει την αλληλεπίδραση ενός στρώματος ηλεκτρονίων με ένα στρώμα μποζονίων, όπως έμμεσα εξιτόνια, εξιτόνια-πολαρόνια, και ούτω καθεξής. Η αλληλεπίδραση μεταξύ σωματιδίων Bose και Fermi οδήγησε σε μια ποικιλία νέων και συναρπαστικών φαινομένων, τα οποία κέντρισαν το ενδιαφέρον και των δύο μερών. Βασική και εφαρμοσμένη άποψη.
Σε αυτή την εργασία, οι ερευνητές ανέφεραν έναν νέο μηχανισμό υπεραγώγιμης δράσης στο γραφένιο, ο οποίος οφείλεται στην αλληλεπίδραση μεταξύ ηλεκτρονίων και «bogolons» και όχι των φωνονίων σε ένα τυπικό σύστημα BCS. Τα Bogolons ή οιονεί σωματίδια Bogoliubov είναι διεγέρσεις στο BEC, τα οποία έχουν ορισμένα χαρακτηριστικά σωματιδίων. Εντός ορισμένων εύρων παραμέτρων, αυτός ο μηχανισμός επιτρέπει στην κρίσιμη θερμοκρασία υπεραγώγιμης δράσης στο γραφένιο να φτάσει έως και τους 70 Kelvin. Οι ερευνητές έχουν επίσης αναπτύξει μια νέα μικροσκοπική θεωρία BCS που εστιάζει ειδικά σε συστήματα που βασίζονται σε νέο υβριδικό γραφένιο. Το μοντέλο που πρότειναν προβλέπει επίσης ότι οι υπεραγώγιμες ιδιότητες μπορούν να αυξηθούν με τη θερμοκρασία, με αποτέλεσμα μια μη μονοτονική εξάρτηση του υπεραγώγιμου κενού από τη θερμοκρασία.
Επιπλέον, μελέτες έχουν δείξει ότι η διασπορά Dirac του γραφενίου διατηρείται σε αυτό το σχήμα που προκαλείται από bogolon. Αυτό υποδεικνύει ότι αυτός ο υπεραγώγιμος μηχανισμός περιλαμβάνει ηλεκτρόνια με σχετικιστική διασπορά και αυτό το φαινόμενο δεν έχει διερευνηθεί επαρκώς στη φυσική συμπυκνωμένης ύλης.
Αυτή η εργασία αποκαλύπτει έναν άλλο τρόπο για την επίτευξη υπεραγωγιμότητας σε υψηλές θερμοκρασίες. Ταυτόχρονα, ελέγχοντας τις ιδιότητες του συμπυκνώματος, μπορούμε να προσαρμόσουμε την υπεραγωγιμότητα του γραφενίου. Αυτό δείχνει έναν άλλο τρόπο για τον έλεγχο των υπεραγώγιμων συσκευών στο μέλλον.
Ώρα δημοσίευσης: 16 Ιουλίου 2021 
