سازوکار جدید ابررسانایی گرافن کشف شد

ابررسانایی پدیده­ای فیزیکی است که در آن مقاومت الکتریکی ماده در دمای بحرانی خاصی به صفر می­رسد. نظریه­ Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) توضیحی مناسب برای توصیف ابررسانایی در بیشتر مواد است. این نظریه بیان می­کند که جفت الکترون­های کوپر در شبکه تحت دمای بسیار کم تشکیل می­شوند و ابررسانایی BCS از تراکم آن­ها به ­وجود می­آید. 

در­حالی­که گرافن خود یک رسانای عالی الکتریسیته است؛ اما به دلیل سرکوب فعل و انفعالات الکترون-فونون، ابررسانایی BCS را از خود نشان نمی­دهد. این همچنین دلیلی است بر اینکه که بیشتر رساناهای خوب مانند طلا و مس ابررساناهای بدی هستند. 

پژوهشگران مرکز فیزیک تئوری سیستم­های پیچیده (PCS)، در موسسه علوم پایه کره جنوبی (IBS) از سازوکار جایگزین جدیدی برای دستیابی به ابررسانایی در گرافن خبر داده ­اند. آن­ها با پیشنهاد یک سیستم هیبریدی متشکل از گرافن و میعانات دو بعدی بوز- انشتین (BEC) به این موفقیت دست یافتند.

همراه با ابررسانایی، BEC پدیده­ی دیگری است که در دماهای پایین به ­وجود می­آید. این پنجمین حالت ماده است که برای اولین بار توسط انیشتین در سال ۱۹۲۴ پیش بینی شده­است. شکل­ گیری BEC زمانی اتفاق می­افتد که اتم­های کم انرژی با هم جمع می­شوند و وارد همان حالت انرژی می­شوند و این منطقه ­ای است که به طور گسترده در فیزیک ماده چگال مورد مطالعه قرار می­گیرد.

یک سیستم ترکیبی Bose-Fermi اساساً نشان­ دهنده­ ی یک لایه الکترون­هایی است که با یک لایه بوزون در تعامل هستند، مانند اکسایتون­های غیرمستقیم، اکسایتون-پلاریتون­ ها و غیره. تقابل بین ذرات بوز و فرمی منجر به پدیده ­های شگفت­انگیز و جدید مختلفی شود که از هر دو دیدگاه اساسی و کاربردی منفعت دارد. 

در این پژوهش، پژوهشگران سازوکار جدیدی از ابررسانایی در گرافن را گزارش می­دهند که به دلیل فعل و انفعالات بین الکترون­ها و "بوگلون­ ها" به ­وجود می­آید، نه فونون­ها مانند سیستم­های BCS معمول. بوگلون­ها یا چهار ذره ­ی Bogoliubov، برانگیختگی درون BEC هستند که دارای برخی ویژگی­ های ذره است. در محدوده ­ی خاصی از پارامترها­، این سازوکار، درجه حرارت بحرانی را برای ابررسانایی گرافن تا ۷۰ کلوین مجاز می­داند.

پژوهشگران همچنین یک نظریه جدید میکروسکوپی BCS ایجاد کردند که به طور خاص بر روی سیستم مبتنی بر گرافن ترکیبی جدید تمرکز دارد. مدل پیشنهادی آن­ها همچنین پیش بینی می­کند که خواص ابررسانا می­تواند با درجه حرارت افزایش یافته و در نتیجه به وابستگی دمایی غیر یکنواخت شکاف ابررسانایی منجر شوند.

علاوه بر این، تحقیقات نشان داد که پراکندگی دیراک گرافن در این طرح واسطه­ی بوگولون حفظ شده ­است. این نشان می­دهد که این سازوکار ابررسانا شامل الکترون­هایی با پراکندگی نسبی است – پدیده ­ای که در فیزیک ماده چگال چندان کاوش نشده است.

Ivan Savenko رهبر گروه تعامل ماده سبک در نانوساختارها (LUMIN) در PCS IBS می­گوید: "این پژوهش روش دیگری را برای دستیابی به ابررسانایی در دمای بالا نشان می­دهد. در همین حال، با کنترل خصوصیات میعانات، می­توانیم ابررسانایی گرافن را تنظیم کنیم. این کانال دیگری را برای کنترل دستگاه­های ابررسانا در آینده پیشنهاد می­کند."