Suprajohtavuus on fysikaalinen ilmiö, jossa materiaalin sähköinen resistanssi laskee nollaan tietyssä kriittisessä lämpötilassa. Bardeen-Cooper-Schriefferin (BCS) teoria on tehokas selitys tälle, ja se kuvaa useimpien materiaalien suprajohtavuutta. Se huomauttaa, että Cooperin elektroniparit muodostuvat kidehilaan riittävän alhaisessa lämpötilassa ja että BCS-suprajohtavuus johtuu niiden tiivistymisestä. Vaikka grafeeni itsessään on erinomainen sähkönjohdin, sillä ei ole BCS-suprajohtavuutta elektroni-fononi-vuorovaikutuksen estämisen vuoksi. Tästä syystä useimmat "hyvät" johtimet (kuten kulta ja kupari) ovat "huonoja" suprajohteita.
Etelä-Korean perustieteiden instituutin (IBS) kompleksisten järjestelmien teoreettisen fysiikan keskuksen (PCS) tutkijat raportoivat uudesta vaihtoehtoisesta mekanismista grafeenin suprajohtavuuden saavuttamiseksi. He saavuttivat tämän ehdottamalla hybridijärjestelmää, joka koostuu grafeenista ja kaksiulotteisesta Bose-Einstein-kondensaatista (BEC). Tutkimus julkaistiin 2D Materials -lehdessä.
Hybridijärjestelmä, joka koostuu grafeenin elektronikaasusta (päällyskerros), joka on erotettu kaksiulotteisesta Bose-Einstein-kondensaatista, jota edustavat epäsuorat eksitonit (sininen ja punainen kerros). Grafeenin elektronit ja eksitonit ovat kytkeytyneet toisiinsa Coulombin voimalla.
(a) Suprajohtavan aukon lämpötilariippuvuus bogolon-välitteisessä prosessissa lämpötilakorjauksella (katkoviiva) ja ilman lämpötilakorjausta (yhtenäinen viiva). (b) Suprajohtavan siirtymän kriittinen lämpötila kondensaatin tiheyden funktiona bogolon-välitteisissä vuorovaikutuksissa lämpötilakorjauksella (punainen katkoviiva) ja ilman (musta yhtenäinen viiva). Sininen katkoviiva näyttää BKT-siirtymälämpötilan kondensaatin tiheyden funktiona.
Suprajohtavuuden lisäksi BEC on toinen matalissa lämpötiloissa esiintyvä ilmiö. Se on aineen viides olomuoto, jonka Einstein ennusti ensimmäisenä vuonna 1924. BEC:n muodostuminen tapahtuu, kun matalaenergiset atomit kokoontuvat yhteen ja siirtyvät samaan energiatilaan, mikä on laaja tutkimusalue tiivistetyn aineen fysiikassa. Hybridi Bose-Fermi-järjestelmä edustaa pohjimmiltaan elektronikerroksen vuorovaikutusta bosonikerroksen, kuten epäsuorien eksitonien, eksitoni-polaronien ja niin edelleen, kanssa. Bose- ja Fermi-hiukkasten välinen vuorovaikutus johti moniin uusiin ja kiehtoviin ilmiöihin, jotka herättivät molempien osapuolten kiinnostuksen. Perus- ja sovelluslähtöinen näkökulma.
Tässä työssä tutkijat raportoivat grafeenin uudesta suprajohtavasta mekanismista, joka johtuu elektronien ja "bogolonien" välisestä vuorovaikutuksesta tyypillisen BCS-järjestelmän fononien sijaan. Bogolonit eli Bogoliubov-kvasihiukkaset ovat BEC:n herätteitä, joilla on tiettyjä hiukkasten ominaisuuksia. Tietyillä parametrialueilla tämä mekanismi mahdollistaa grafeenin suprajohtavan kriittisen lämpötilan saavuttamisen jopa 70 kelviniin. Tutkijat ovat myös kehittäneet uuden mikroskooppisen BCS-teorian, joka keskittyy erityisesti uuteen hybridigrafeeniin perustuviin järjestelmiin. Heidän ehdottamansa malli ennustaa myös, että suprajohtavat ominaisuudet voivat kasvaa lämpötilan mukana, mikä johtaa suprajohtavan aukon ei-monotoniseen lämpötilariippuvuuteen.
Lisäksi tutkimukset ovat osoittaneet, että grafeenin Dirac-dispersio säilyy tässä bogolonivälitteisessä järjestelmässä. Tämä viittaa siihen, että tässä suprajohtavassa mekanismissa on mukana relativistisen dispersion omaavia elektroneja, eikä tätä ilmiötä ole tutkittu hyvin tiiviin aineen fysiikassa.
Tämä työ paljastaa toisen tavan saavuttaa korkean lämpötilan suprajohtavuus. Samalla kondensaatin ominaisuuksia kontrolloimalla voimme säätää grafeenin suprajohtavuutta. Tämä osoittaa toisen tavan kontrolloida suprajohtavia laitteita tulevaisuudessa.
Julkaisun aika: 16.7.2021 
