Supraleitung ist ein physikalisches Phänomen, bei dem der elektrische Widerstand eines Materials bei einer bestimmten kritischen Temperatur auf Null sinkt.Die Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)-Theorie ist eine wirksame Erklärung, die die Supraleitung in den meisten Materialien beschreibt.Darin wird darauf hingewiesen, dass Cooper-Elektronenpaare bei ausreichend niedriger Temperatur im Kristallgitter gebildet werden und dass die BCS-Supraleitung aus ihrer Kondensation resultiert.Obwohl Graphen selbst ein ausgezeichneter elektrischer Leiter ist, weist es aufgrund der Unterdrückung der Elektron-Phonon-Wechselwirkung keine BCS-Supraleitung auf.Aus diesem Grund sind die meisten „guten“ Leiter (wie Gold und Kupfer) „schlechte“ Supraleiter.
Forscher am Center for Theoretical Physics of Complex Systems (PCS) am Institute of Basic Science (IBS, Südkorea) berichteten über einen neuen alternativen Mechanismus zur Erzielung von Supraleitung in Graphen.Sie erreichten dieses Kunststück, indem sie ein Hybridsystem aus Graphen und zweidimensionalem Bose-Einstein-Kondensat (BEC) vorschlugen.Die Forschung wurde in der Zeitschrift 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 in Graphen sind durch die 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 blaue 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 Materiezustand, der erstmals 1924 von Einstein vorhergesagt wurde. Die Bildung von BEC erfolgt, wenn sich niederenergetische Atome zusammenschließen und in denselben Energiezustand eintreten. Dies ist ein Feld umfangreicher Forschung in der Physik der kondensierten Materie.Das hybride Bose-Fermi-System stellt im Wesentlichen die Wechselwirkung einer Elektronenschicht mit einer Bosonenschicht dar, beispielsweise indirekten Exzitonen, Exzitonen-Polaronen usw.Die Wechselwirkung zwischen Bose- und Fermi-Teilchen führte zu einer Vielzahl neuartiger und faszinierender Phänomene, die das Interesse beider Parteien weckten.Grundlegende und anwendungsorientierte Sichtweise.
In dieser Arbeit berichteten die Forscher über einen neuen supraleitenden Mechanismus in Graphen, der auf der Wechselwirkung zwischen Elektronen und „Bogolonen“ und nicht auf den Phononen in einem typischen BCS-System beruht.Bogolons oder Bogoliubov-Quasiteilchen sind Anregungen im BEC, die bestimmte Eigenschaften von Teilchen aufweisen.Innerhalb bestimmter Parameterbereiche ermöglicht dieser Mechanismus, dass die supraleitende kritische Temperatur in Graphen bis zu 70 Kelvin erreicht.Forscher haben außerdem eine neue mikroskopische BCS-Theorie entwickelt, die sich speziell auf Systeme konzentriert, die auf neuem Hybridgraphen basieren.Das von ihnen vorgeschlagene Modell sagt auch voraus, dass die supraleitenden Eigenschaften mit der Temperatur zunehmen können, was zu einer nichtmonotonen Temperaturabhängigkeit der supraleitenden Lücke führt.
Darüber hinaus haben Studien gezeigt, dass die Dirac-Dispersion von Graphen in diesem Bogolon-vermittelten Schema erhalten bleibt.Dies weist darauf hin, dass an diesem supraleitenden Mechanismus Elektronen mit relativistischer Dispersion beteiligt sind, und dieses Phänomen wurde in der Physik der kondensierten Materie noch nicht ausreichend erforscht.
Diese Arbeit zeigt einen weiteren Weg auf, Hochtemperatursupraleitung zu erreichen.Gleichzeitig können wir durch die Kontrolle der Eigenschaften des Kondensats die Supraleitung von Graphen anpassen.Dies zeigt einen weiteren Weg zur Steuerung supraleitender Geräte in der Zukunft.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 16. Juli 2021 
