Supraleitung ist ein physikalisches Phänomen, bei dem der elektrische Widerstand eines Materials bei einer bestimmten kritischen Temperatur auf null sinkt. Die Bardeen-Cooper-Schrieffer-Theorie (BCS-Theorie) liefert eine effektive Erklärung für die Supraleitung der meisten Materialien. Sie besagt, dass sich bei ausreichend niedriger Temperatur Cooper-Elektronenpaare im Kristallgitter bilden und die BCS-Supraleitung auf deren Kondensation zurückzuführen ist. Obwohl Graphen selbst ein ausgezeichneter elektrischer Leiter ist, zeigt es aufgrund der Unterdrückung der Elektron-Phonon-Wechselwirkung keine BCS-Supraleitung. Daher sind die meisten „guten“ Leiter (wie Gold und Kupfer) „schlechte“ Supraleiter.
Forscher des Zentrums für Theoretische Physik komplexer Systeme (PCS) am Institut für Grundlagenforschung (IBS, Südkorea) haben einen neuen alternativen Mechanismus zur Erzeugung von Supraleitung in Graphen vorgestellt. Dies gelang ihnen durch die Entwicklung eines Hybridsystems aus Graphen und einem zweidimensionalen Bose-Einstein-Kondensat (BEC). Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „2D Materials“ veröffentlicht.
Ein Hybridsystem besteht aus einem Elektronengas (oberste Schicht) in Graphen, das vom zweidimensionalen Bose-Einstein-Kondensat, dargestellt durch indirekte Exzitonen (blaue und rote Schichten), getrennt ist. Die Elektronen und Exzitonen im Graphen sind durch die Coulomb-Kraft gekoppelt.
(a) Die Temperaturabhängigkeit der supraleitenden Energielücke im Bogolon-vermittelten Prozess mit (gestrichelte Linie) und ohne (durchgezogene Linie) Temperaturkorrektur. (b) Die kritische Temperatur des supraleitenden Übergangs als Funktion der Kondensatdichte für Bogolon-vermittelte Wechselwirkungen mit (rote gestrichelte Linie) und ohne (schwarze durchgezogene Linie) Temperaturkorrektur. Die blaue gepunktete Linie zeigt die BKT-Übergangstemperatur als Funktion der Kondensatdichte.
Neben der Supraleitung ist das Bose-Einstein-Kondensat (BEC) ein weiteres Phänomen, das bei tiefen Temperaturen auftritt. Es ist der fünfte Aggregatzustand, den Einstein 1924 erstmals vorhersagte. Die Bildung eines BEC erfolgt, wenn sich Atome niedriger Energie zusammenschließen und denselben Energiezustand annehmen. Dies ist ein umfangreiches Forschungsgebiet der Festkörperphysik. Das hybride Bose-Fermi-System repräsentiert im Wesentlichen die Wechselwirkung einer Elektronenschicht mit einer Bosonenschicht, wie beispielsweise indirekten Exzitonen, Exziton-Polaronen usw. Die Wechselwirkung zwischen Bose- und Fermi-Teilchen führte zu einer Vielzahl neuartiger und faszinierender Phänomene, die das Interesse beider Gruppen weckten – sowohl aus grundlagenwissenschaftlicher als auch aus anwendungsorientierter Sicht.
In dieser Arbeit berichten die Forscher über einen neuen Supraleitungsmechanismus in Graphen, der auf der Wechselwirkung zwischen Elektronen und Bogolonen anstatt mit Phononen in einem typischen BCS-System beruht. Bogolonen oder Bogoliubov-Quasiteilchen sind Anregungen in Bose-Einstein-Kondensaten (BEC) und weisen bestimmte Teilcheneigenschaften auf. Innerhalb bestimmter Parameterbereiche ermöglicht dieser Mechanismus, dass die supraleitende Sprungtemperatur in Graphen bis zu 70 Kelvin erreicht. Die Forscher haben zudem eine neue mikroskopische BCS-Theorie entwickelt, die sich speziell auf Systeme auf Basis neuartiger Hybridgraphen konzentriert. Das vorgeschlagene Modell sagt außerdem voraus, dass die supraleitenden Eigenschaften mit der Temperatur zunehmen, was zu einer nicht-monotonen Temperaturabhängigkeit der supraleitenden Energielücke führt.
Darüber hinaus haben Studien gezeigt, dass die Dirac-Dispersion von Graphen in diesem Bogolon-vermittelten Schema erhalten bleibt. Dies deutet darauf hin, dass dieser supraleitende Mechanismus Elektronen mit relativistischer Dispersion involviert, ein Phänomen, das in der Festkörperphysik bisher wenig erforscht wurde.
Diese Arbeit zeigt einen weiteren Weg zur Erzielung von Hochtemperatur-Supraleitung auf. Gleichzeitig lässt sich durch die Kontrolle der Kondensateigenschaften die Supraleitung von Graphen anpassen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten zur Steuerung supraleitender Bauelemente in der Zukunft.
Veröffentlichungsdatum: 16. Juli 2021 
