Сверхпроводимость — это физическое явление, при котором электрическое сопротивление материала падает до нуля при определённой критической температуре. Теория Бардина-Купера-Шриффера (БКШ) является эффективным объяснением, описывающим сверхпроводимость большинства материалов. Она указывает на то, что куперовские электронные пары образуются в кристаллической решётке при достаточно низкой температуре, и что БКШ-сверхпроводимость обусловлена их конденсацией. Хотя сам графен является отличным проводником, он не обладает БКШ-сверхпроводимостью 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). Исследование опубликовано 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 коррекцией (пунктирная линия) и без температурной коррекции (сплошная линия). (b) Критическая температура сверхпроводящего перехода как функция плотности конденсата для взаимодействий, опосредованных боголонами, с температурной коррекцией (красная пунктирная линия) и без неё (чёрная сплошная линия). Синяя пунктирная линия показывает температуру перехода БКТ как функцию плотности конденсата.
Помимо сверхпроводимости, КБЭ — ещё одно явление, наблюдаемое при низких температурах. Это пятое состояние вещества, впервые предсказанное Эйнштейном в 1924 году. Образование КБЭ происходит, когда атомы с низкой энергией собираются вместе и переходят в одно и то же энергетическое состояние, что является областью обширных исследований в физике конденсированного состояния. Гибридная бозе-ферми-система, по сути, представляет собой взаимодействие слоя электронов со слоем бозонов, таких как непрямые экситоны, экситон-поляроны и так далее. Взаимодействие бозе- и ферми-частиц привело к появлению множества новых и интересных явлений, вызвавших интерес обеих сторон. Базовый и прикладной взгляд.
В данной работе исследователи сообщили о новом механизме сверхпроводимости в графене, обусловленном взаимодействием электронов с «боголонами», а не с фононами в типичной системе БКШ. Боголоны, или квазичастицы Боголюбова, представляют собой возбуждения в БЭК, обладающие определёнными характеристиками частиц. В определённом диапазоне параметров этот механизм позволяет критической температуре сверхпроводимости в графене достигать 70 Кельвинов. Исследователи также разработали новую микроскопическую теорию БКШ, специально ориентированную на системы на основе нового гибридного графена. Предложенная ими модель также предсказывает, что сверхпроводящие свойства могут усиливаться с температурой, что приводит к немонотонной температурной зависимости сверхпроводящей щели.
Кроме того, исследования показали, что в этой схеме, опосредованной боголоном, сохраняется дираковская дисперсия графена. Это указывает на то, что данный механизм сверхпроводимости включает электроны с релятивистской дисперсией, а это явление недостаточно изучено в физике конденсированного состояния.
Эта работа открывает ещё один способ достижения высокотемпературной сверхпроводимости. В то же время, управляя свойствами конденсата, можно регулировать сверхпроводимость графена. Это открывает ещё один способ управления сверхпроводящими устройствами в будущем.
Время публикации: 16 июля 2021 г. 
