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) bietet eine effektive Erklärung für die Supraleitung in den meisten Materialien. Sie geht davon aus, dass sich bei ausreichend niedriger Temperatur Cooper-Elektronenpaare im Kristallgitter bilden und die BCS-Supraleitung durch deren Kondensation entsteht. Obwohl Graphen selbst ein ausgezeichneter elektrischer Leiter ist, weist es aufgrund der Unterdrückung der Elektron-Phonon-Wechselwirkung keine BCS-Supraleitung auf. Deshalb sind die meisten „guten“ Leiter (wie Gold und Kupfer) „schlechte“ Supraleiter.
Forscher des Zentrums für Theoretische Physik komplexer Systeme (PCS) am Institute of Basic Science (IBS, Südkorea) haben einen neuen alternativen Mechanismus zur Erzielung von Supraleitung in Graphen vorgestellt. Sie erreichten dies durch die Entwicklung eines Hybridsystems aus Graphen und zweidimensionalem Bose-Einstein-Kondensat (BEC). Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift 2D Materials veröffentlicht.
Ein Hybridsystem bestehend aus Elektronengas (oberste Schicht) in Graphen, getrennt vom zweidimensionalen Bose-Einstein-Kondensat, dargestellt durch indirekte Exzitonen (blaue und rote Schichten). Die Elektronen und Exzitonen im Graphen sind durch Coulomb-Kraft gekoppelt.
(a) Die Temperaturabhängigkeit der supraleitenden Lücke im Bogolon-vermittelten Prozess mit Temperaturkorrektur (gestrichelte Linie) und ohne Temperaturkorrektur (durchgezogene Linie). (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 blau gepunktete Linie zeigt die BKT-Übergangstemperatur als Funktion der Kondensatdichte.
Neben der Supraleitung ist BEC ein weiteres Phänomen, das bei niedrigen Temperaturen auftritt. Es handelt sich um den fünften Aggregatzustand, der erstmals 1924 von Einstein vorhergesagt wurde. BEC entsteht, wenn sich Atome mit niedriger Energie zusammenballen und in den gleichen Energiezustand übergehen. Dies ist ein Forschungsgebiet der Festkörperphysik. Das hybride Bose-Fermi-System stellt im Wesentlichen die Wechselwirkung einer Elektronenschicht mit einer Bosonenschicht dar, wie z. B. indirekten Exzitonen, Exziton-Polaronen usw. Die Wechselwirkung zwischen Bose- und Fermi-Teilchen führte zu einer Vielzahl neuartiger und faszinierender Phänomene, die das Interesse beider Seiten weckten. Grundlagen- und anwendungsorientierte Betrachtung.
In dieser Arbeit berichteten die Forscher über einen neuen supraleitenden Mechanismus in Graphen, der auf der Wechselwirkung zwischen Elektronen und „Bogolonen“ statt auf den Phononen in einem typischen BCS-System beruht. Bogolonen oder Bogoliubov-Quasiteilchen sind Anregungen in BEC, die bestimmte Teilcheneigenschaften aufweisen. Innerhalb bestimmter Parameterbereiche ermöglicht dieser Mechanismus eine supraleitende kritische Temperatur in Graphen von bis zu 70 Kelvin. Die Forscher entwickelten außerdem eine neue mikroskopische BCS-Theorie, die sich speziell auf Systeme auf Basis von neuem Hybridgraphen konzentriert. Das von ihnen vorgeschlagene Modell sagt außerdem voraus, dass die supraleitenden Eigenschaften mit der Temperatur zunehmen können, was zu einer nicht-monotonen Temperaturabhängigkeit der supraleitenden Lücke führt.
Studien haben zudem 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 beinhaltet, und dieses Phänomen ist in der Festkörperphysik noch wenig erforscht.
Diese Arbeit zeigt einen weiteren Weg zur Erzielung von Hochtemperatur-Supraleitung auf. Gleichzeitig lässt sich durch die Steuerung der Kondensateigenschaften die Supraleitung von Graphen anpassen. Dies eröffnet einen weiteren Weg zur Steuerung supraleitender Bauelemente in der Zukunft.
Veröffentlichungszeit: 16. Juli 2021 
