La superconduttività è un fenomeno fisico in cui la resistenza elettrica di un materiale si annulla a una certa temperatura critica. La teoria di Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) è una spiegazione efficace, che descrive la superconduttività nella maggior parte dei materiali. Essa sottolinea che le coppie di elettroni di Cooper si formano nel reticolo cristallino a una temperatura sufficientemente bassa e che la superconduttività BCS deriva dalla loro condensazione. Sebbene il grafene sia di per sé un ottimo conduttore elettrico, non presenta superconduttività BCS a causa della soppressione dell'interazione elettrone-fonone. Questo è il motivo per cui la maggior parte dei "buoni" conduttori (come oro e rame) sono "cattivi" superconduttori.
I ricercatori del Centro di Fisica Teorica dei Sistemi Complessi (PCS) dell'Istituto di Scienze di Base (IBS, Corea del Sud) hanno descritto un nuovo meccanismo alternativo per ottenere la superconduttività nel grafene. Hanno raggiunto questo risultato proponendo un sistema ibrido composto da grafene e condensato di Bose-Einstein bidimensionale (BEC). La ricerca è stata pubblicata sulla rivista 2D Materials.
Un sistema ibrido costituito da un gas di elettroni (strato superiore) in grafene, separato dal condensato di Bose-Einstein bidimensionale, rappresentato da eccitoni indiretti (strati blu e rosso). Gli elettroni e gli eccitoni nel grafene sono accoppiati dalla forza di Coulomb.
(a) La dipendenza dalla temperatura del gap superconduttore nel processo mediato da bogolon con correzione della temperatura (linea tratteggiata) e senza correzione della temperatura (linea continua). (b) La temperatura critica della transizione superconduttiva in funzione della densità del condensato per interazioni mediate da bogolon con (linea tratteggiata rossa) e senza (linea continua nera) correzione della temperatura. La linea tratteggiata blu mostra la temperatura di transizione BKT in funzione della densità del condensato.
Oltre alla superconduttività, il BEC è un altro fenomeno che si verifica a basse temperature. È il quinto stato della materia, previsto per la prima volta da Einstein nel 1924. La formazione del BEC avviene quando atomi a bassa energia si uniscono ed entrano nello stesso stato energetico, un campo di ricerca molto vasto nella fisica della materia condensata. Il sistema ibrido Bose-Fermi rappresenta essenzialmente l'interazione di uno strato di elettroni con uno strato di bosoni, come eccitoni indiretti, eccitoni-polaroni e così via. L'interazione tra particelle di Bose e di Fermi ha portato a una varietà di fenomeni nuovi e affascinanti, che hanno suscitato l'interesse di entrambe le parti. Visione di base e orientata alle applicazioni.
In questo lavoro, i ricercatori hanno descritto un nuovo meccanismo superconduttivo nel grafene, dovuto all'interazione tra elettroni e "bogolon" anziché tra fononi in un tipico sistema BCS. I bogolon o quasiparticelle di Bogoliubov sono eccitazioni nel BEC, che presentano determinate caratteristiche delle particelle. Entro determinati intervalli di parametri, questo meccanismo consente alla temperatura critica superconduttiva nel grafene di raggiungere fino a 70 Kelvin. I ricercatori hanno anche sviluppato una nuova teoria microscopica del BCS che si concentra specificamente su sistemi basati sul nuovo grafene ibrido. Il modello da loro proposto prevede inoltre che le proprietà superconduttive possano aumentare con la temperatura, con conseguente dipendenza non monotona dalla temperatura del gap superconduttore.
Inoltre, studi hanno dimostrato che la dispersione di Dirac del grafene è preservata in questo schema mediato da bogolon. Ciò indica che questo meccanismo superconduttore coinvolge elettroni con dispersione relativistica, un fenomeno che non è stato ancora ben esplorato nella fisica della materia condensata.
Questo lavoro rivela un altro modo per ottenere la superconduttività ad alta temperatura. Allo stesso tempo, controllando le proprietà del condensato, possiamo regolare la superconduttività del grafene. Questo indica un altro modo per controllare i dispositivi superconduttori in futuro.
Data di pubblicazione: 16/07/2021 
