Figura 1. Un sistema híbrido que consta de un gas de electrones en grafeno (capa superior) separado de un condensado de Bose-Einstein bidimensional, representado por excitones indirectos (capas azul y roja). Los electrones del grafeno y los excitones están acoplados por la fuerza de Coulomb. Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
La superconductividad es un fenómeno físico en el que la resistencia eléctrica de un material cae a cero bajo una determinada temperatura crítica. La teoría de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) es una explicación bien establecida que describe la superconductividad en la mayoría de los materiales. Afirma que los pares de electrones de Cooper se forman en la red a una temperatura suficientemente baja y que la superconductividad de BCS surge de su condensación. Si bien el grafeno en sí mismo es un excelente conductor de electricidad, no exhibe superconductividad BCS debido a la supresión de interacciones electrón-fonón. Esta es también la razón por la que la mayoría de los conductores "buenos", como el oro y el cobre, son superconductores "malos".
Investigadores del Centro de Física Teórica de Sistemas Complejos (PCS), dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS, Corea del Sur) han informado sobre un mecanismo alternativo novedoso para lograr la superconductividad en el grafeno. Lograron esta hazaña al proponer un sistema híbrido que consta de grafeno y condensado 2D Bose-Einstein (BEC). Esta investigación se publica en la revista Materiales 2D .
Junto con la superconductividad, BEC es otro fenómeno que surge a bajas temperaturas. Es el quinto estado de la materia predicho por primera vez por Einstein en 1924. La formación de BEC ocurre cuando los átomos de baja energía se agrupan y entran en el mismo estado de energía. y es un área que se estudia ampliamente en la física de la materia condensada. Un sistema híbrido de Bose-Fermi esencialmente representa una capa de electrones que interactúan con una capa de bosones, como excitones indirectos, excitones-polaritones, etc. La interacción entre las partículas de Bose y Fermi conduce a varios fenómenos fascinantes novedosos, lo que despierta intereses tanto desde la perspectiva fundamental como desde la orientada a la aplicación.
Figura 2. (a) Dependencia de la temperatura del espacio superconductor para el proceso mediado por bogolon con corrección de temperatura (punteado) y sin corrección de temperatura (sólido). (b) La temperatura crítica de la transición de superconductividad en función de la densidad del condensado para la interacción mediada por bogolon con (punteado rojo) y sin (sólido negro) la corrección de temperatura. La línea azul punteada muestra la temperatura de transición de BKT en función de la densidad del condensado. Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
En este trabajo, los investigadores informan sobre un nuevo mecanismo de superconductividad en el grafeno, que surge debido a interacciones entre electrones y "bogolones, "en lugar de fonones como en los sistemas BCS típicos. Bogolones, o cuasipartículas de Bogoliubov, son excitación dentro de BEC que tiene algunas características de una partícula. En ciertos rangos de parámetros, este mecanismo permite la temperatura crítica para la superconductividad hasta 70 Kelvin dentro del grafeno. Los investigadores también desarrollaron una nueva teoría microscópica de BCS que se centra específicamente en el novedoso sistema híbrido basado en grafeno. Su modelo propuesto también predice que las propiedades superconductoras pueden mejorarse con la temperatura, resultando en la dependencia de la temperatura no monótona del espacio superconductor.
Es más, la investigación mostró que la dispersión de grafeno de Dirac se conserva en este esquema mediado por bogolon. Esto indica que este mecanismo superconductor involucra electrones con dispersión relativista, un fenómeno que no está tan bien explorado en la física de la materia condensada.
"Este trabajo arroja luz sobre una forma alternativa de lograr la superconductividad de alta temperatura. Mientras tanto, controlando las propiedades de un condensado, podemos ajustar la superconductividad del grafeno. Esto sugiere otro canal para controlar los dispositivos superconductores en el futuro, "explica Ivan Savenko, el líder del equipo Light-Matter Interaction in Nanotructures (LUMIN) en el PCS IBS.
