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) fornisce una spiegazione efficace della superconduttività nella maggior parte dei materiali. Essa evidenzia che le coppie di elettroni di Cooper si formano nel reticolo cristallino a temperature sufficientemente basse e che la superconduttività BCS deriva dalla loro condensazione. Sebbene il grafene sia di per sé un eccellente conduttore elettrico, non presenta superconduttività BCS a causa della soppressione dell'interazione elettrone-fonone. Questo è il motivo per cui la maggior parte dei conduttori "buoni" (come l'oro e il rame) sono superconduttori "cattivi".
I ricercatori del Center for Theoretical Physics of Complex Systems (PCS) presso l'Institute of Basic Science (IBS, Corea del Sud) hanno riportato 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) nel grafene, separato dal condensato di Bose-Einstein bidimensionale, rappresentato da eccitoni indiretti (strati blu e rossi). Gli elettroni e gli eccitoni nel grafene sono accoppiati dalla forza di Coulomb.
(a) Dipendenza dalla temperatura del gap superconduttivo nel processo mediato dal bogolone con correzione della temperatura (linea tratteggiata) e senza correzione della temperatura (linea continua). (b) Temperatura critica della transizione superconduttiva in funzione della densità del condensato per interazioni mediate dal bogolone con (linea tratteggiata rossa) e senza (linea continua nera) correzione della temperatura. La linea punteggiata blu mostra la temperatura di transizione BKT in funzione della densità del condensato.
Oltre alla superconduttività, il condensato di Bose-Einstein (BEC) è un altro fenomeno che si verifica a basse temperature. Si tratta del quinto stato della materia, previsto per la prima volta da Einstein nel 1924. La formazione del BEC avviene quando atomi a bassa energia si aggregano e raggiungono lo stesso stato energetico, un campo di ricerca molto attivo 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, eccitone-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. Una 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 "bogoloni" anziché con i fononi, come avviene in un tipico sistema BCS. I bogoloni, o quasiparticelle di Bogoliubov, sono eccitazioni nei condensati di Bose-Einstein (BEC) che presentano determinate caratteristiche di particelle. Entro certi intervalli di parametri, questo meccanismo permette alla temperatura critica superconduttiva del grafene di raggiungere i 70 Kelvin. I ricercatori hanno inoltre sviluppato una nuova teoria BCS microscopica, specificamente focalizzata sui sistemi basati sul nuovo grafene ibrido. Il modello proposto prevede anche che le proprietà superconduttive possano aumentare con la temperatura, determinando una dipendenza non monotona del gap superconduttivo dalla temperatura.
Inoltre, studi hanno dimostrato che la dispersione di Dirac del grafene viene preservata in questo schema mediato da bogoloni. Ciò indica che questo meccanismo superconduttivo coinvolge elettroni con dispersione relativistica, e questo fenomeno 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. Ciò apre una nuova strada per il controllo dei dispositivi superconduttori in futuro.
Data di pubblicazione: 16 luglio 2021 
