Сверхпроводимость — это физическое явление, при котором электрическое сопротивление материала падает до нуля при определенной критической температуре. Теория Бардина-Купера-Шриффера (БКШ) является эффективным объяснением, описывающим сверхпроводимость в большинстве материалов. Она указывает на то, что пары куперовских электронов образуются в кристаллической решетке при достаточно низкой температуре, и что сверхпроводимость БКШ возникает из-за их конденсации. Хотя сам графен является отличным электрическим проводником, он не проявляет сверхпроводимости БКШ из-за подавления электрон-фононного взаимодействия. Именно поэтому большинство «хороших» проводников (таких как золото и медь) являются «плохими» сверхпроводниками.
Исследователи из Центра теоретической физики сложных систем (PCS) Института фундаментальных наук (IBS, Южная Корея) сообщили о новом альтернативном механизме достижения сверхпроводимости в графене. Они добились этого, предложив гибридную систему, состоящую из графена и двумерного бозе-эйнштейновского конденсата (БЭК). Результаты исследования были опубликованы в журнале 2D Materials.
Гибридная система, состоящая из электронного газа (верхний слой) в графене, отделенного от двумерного бозе-эйнштейновского конденсата, представленного непрямыми экситонами (синий и красный слои). Электроны и экситоны в графене связаны кулоновской силой.
(a) Температурная зависимость сверхпроводящей щели в процессе, опосредованном боголонами, с температурной поправкой (пунктирная линия) и без температурной поправки (сплошная линия). (b) Критическая температура сверхпроводящего перехода как функция плотности конденсата для взаимодействий, опосредованных боголонами, с температурной поправкой (красная пунктирная линия) и без нее (черная сплошная линия). Синяя пунктирная линия показывает температуру перехода БКТ как функцию плотности конденсата.
Помимо сверхпроводимости, БЭК — ещё одно явление, возникающее при низких температурах. Это пятое состояние материи, впервые предсказанное Эйнштейном в 1924 году. Образование БЭК происходит, когда низкоэнергетические атомы собираются вместе и переходят в одно и то же энергетическое состояние, что является областью обширных исследований в физике конденсированных сред. Гибридная бозе-фермиевская система, по сути, представляет собой взаимодействие слоя электронов со слоем бозонов, таких как непрямые экситоны, экситон-поляроны и т. д. Взаимодействие между бозе- и фермиевскими частицами привело к множеству новых и захватывающих явлений, вызвавших интерес как фундаментальных, так и прикладных аспектов.
В этой работе исследователи сообщили о новом механизме сверхпроводимости в графене, который обусловлен взаимодействием электронов и «боголонов», а не фононов, как в типичной системе БКШ. Боголоны, или квазичастицы Боголюбова, представляют собой возбуждения в БЭК, обладающие определенными характеристиками частиц. В определенных диапазонах параметров этот механизм позволяет достичь критической температуры сверхпроводимости в графене до 70 Кельвинов. Исследователи также разработали новую микроскопическую теорию БКШ, которая специально фокусируется на системах на основе нового гибридного графена. Предложенная ими модель также предсказывает, что сверхпроводящие свойства могут возрастать с температурой, что приводит к немонотонной температурной зависимости сверхпроводящей щели.
Кроме того, исследования показали, что дисперсия Дирака в графене сохраняется в этой схеме, опосредованной боголонами. Это указывает на то, что данный механизм сверхпроводимости включает электроны с релятивистской дисперсией, и это явление недостаточно изучено в физике конденсированных сред.
Эта работа раскрывает еще один способ достижения высокотемпературной сверхпроводимости. Одновременно с этим, контролируя свойства конденсата, мы можем регулировать сверхпроводимость графена. Это открывает еще один путь для управления сверхпроводящими устройствами в будущем.
Дата публикации: 16 июля 2021 г. 
