Süperiletkenlik, bir malzemenin elektriksel direncinin belirli bir kritik sıcaklıkta sıfıra düştüğü fiziksel bir olgudur. Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) teorisi, çoğu malzemede süperiletkenliği açıklayan etkili bir açıklamadır. Bu teori, yeterince düşük bir sıcaklıkta kristal kafeste Cooper elektron çiftlerinin oluştuğunu ve BCS süperiletkenliğinin bunların yoğunlaşmasından kaynaklandığını belirtir. Grafen kendi başına mükemmel bir elektriksel iletken olmasına rağmen, elektron-fonon etkileşiminin bastırılması nedeniyle BCS süperiletkenliği göstermez. Bu nedenle çoğu "iyi" iletken (altın ve bakır gibi) "kötü" süperiletkenlerdir.
Güney Kore Temel Bilimler Enstitüsü'ndeki (IBS) Karmaşık Sistemlerin Teorik Fiziği Merkezi'ndeki (PCS) araştırmacılar, grafende süperiletkenliğe ulaşmak için yeni bir alternatif mekanizma bildirdiler. Bu başarıyı, grafen ve iki boyutlu Bose-Einstein yoğunlaşmasından (BEC) oluşan hibrit bir sistem önererek elde ettiler. Araştırma, 2D Materials dergisinde yayınlandı.
Grafen içindeki elektron gazından (üst katman) ve iki boyutlu Bose-Einstein yoğunlaşmasından (dolaylı eksitonlar, mavi ve kırmızı katmanlar) oluşan hibrit bir sistem. Grafen içindeki elektronlar ve eksitonlar Coulomb kuvvetiyle birbirine bağlıdır.
(a) Sıcaklık düzeltmesi yapılmış (kesikli çizgi) ve yapılmamış (düz çizgi) bogolon aracılı süreçte süperiletkenlik aralığının sıcaklığa bağlılığı. (b) Sıcaklık düzeltmesi yapılmış (kırmızı kesikli çizgi) ve yapılmamış (siyah düz çizgi) bogolon aracılı etkileşimler için yoğunlaşma yoğunluğunun bir fonksiyonu olarak süperiletken geçişin kritik sıcaklığı. Mavi noktalı çizgi, yoğunlaşma yoğunluğunun bir fonksiyonu olarak BKT geçiş sıcaklığını göstermektedir.
Süperiletkenliğe ek olarak, düşük sıcaklıklarda meydana gelen bir diğer olgu da Bose-Einstein Çarpımı (BEC)'dir. Bu, ilk olarak 1924'te Einstein tarafından öngörülen maddenin beşinci halidir. BEC oluşumu, düşük enerjili atomların bir araya gelip aynı enerji durumuna girmesiyle gerçekleşir ve bu, yoğun madde fiziğinde kapsamlı bir araştırma alanıdır. Hibrit Bose-Fermi sistemi esasen, dolaylı eksitonlar, eksiton-polaronlar vb. gibi bir elektron katmanının bir bozon katmanıyla etkileşimini temsil eder. Bose ve Fermi parçacıkları arasındaki etkileşim, her iki tarafın da ilgisini çeken çeşitli yeni ve büyüleyici olgulara yol açmıştır. Temel ve uygulama odaklı bakış açısı.
Bu çalışmada araştırmacılar, tipik bir BCS sistemindeki fononlar yerine elektronlar ve "bogolonlar" arasındaki etkileşimden kaynaklanan, grafende yeni bir süperiletkenlik mekanizması bildirdiler. Bogolonlar veya Bogoliubov kuazi parçacıkları, BEC'de belirli parçacık özelliklerine sahip uyarılmalardır. Belirli parametre aralıklarında, bu mekanizma grafende süperiletken kritik sıcaklığın 70 Kelvin'e kadar yükselmesine olanak tanır. Araştırmacılar ayrıca, özellikle yeni hibrit grafen tabanlı sistemlere odaklanan yeni bir mikroskobik BCS teorisi geliştirdiler. Önerdikleri model ayrıca, süperiletken özelliklerin sıcaklıkla artabileceğini ve süperiletken aralığının monoton olmayan bir sıcaklık bağımlılığına yol açabileceğini öngörüyor.
Ek olarak, çalışmalar grafenin Dirac dağılımının bu bogolon aracılı şemada korunduğunu göstermiştir. Bu, bu süperiletken mekanizmanın göreceli dağılıma sahip elektronları içerdiğini ve bu olgunun yoğun madde fiziğinde yeterince araştırılmadığını göstermektedir.
Bu çalışma, yüksek sıcaklık süperiletkenliğine ulaşmanın başka bir yolunu ortaya koymaktadır. Aynı zamanda, yoğunlaşmanın özelliklerini kontrol ederek grafenin süperiletkenliğini ayarlayabiliriz. Bu, gelecekte süperiletken cihazları kontrol etmenin başka bir yolunu göstermektedir.
Yayın tarihi: 16 Temmuz 2021 
