Надпровідність — це фізичне явище, при якому електричний опір матеріалу падає до нуля за певної критичної температури. Теорія Бардіна-Купера-Шріффера (БКШ) є ефективним поясненням, яке описує надпровідність у більшості матеріалів. Вона вказує на те, що куперівські електронні пари утворюються в кристалічній решітці за досить низької температури, і що БКШ-надпровідність виникає внаслідок їхньої конденсації. Хоча графен сам по собі є чудовим електричним провідником, він не проявляє БКШ-надпровідності через пригнічення електрон-фононної взаємодії. Ось чому більшість «хороших» провідників (таких як золото та мідь) є «поганими» надпровідниками.
Дослідники з Центру теоретичної фізики складних систем (PCS) Інституту фундаментальних наук (IBS, Південна Корея) повідомили про новий альтернативний механізм досягнення надпровідності в графені. Вони досягли цього, запропонувавши гібридну систему, що складається з графену та двовимірного конденсату Бозе-Ейнштейна (BEC). Дослідження було опубліковано в журналі 2D Materials.
Гібридна система, що складається з електронного газу (верхній шар) у графені, відокремленого від двовимірного конденсату Бозе-Ейнштейна, представленого непрямими екситонами (синій та червоний шари). Електрони та екситони в графені пов'язані кулонівською силою.
(a) Температурна залежність надпровідної щілини в процесі, опосередкованому боголоном, з температурною корекцією (пунктирна лінія) та без температурної корекції (суцільна лінія). (b) Критична температура надпровідного переходу як функція густини конденсату для взаємодій, опосередкованих боголоном, з (червона пунктирна лінія) та без (чорна суцільна лінія) температурної корекції. Синя пунктирна лінія показує температуру переходу BKT як функцію густини конденсату.
Окрім надпровідності, БЕК – це ще одне явище, яке відбувається за низьких температур. Це п'ятий стан речовини, вперше передбачений Ейнштейном у 1924 році. Утворення БЕК відбувається, коли атоми низької енергії збираються разом і переходять в один і той самий енергетичний стан, що є сферою широких досліджень у фізиці конденсованого стану. Гібридна система Бозе-Фермі по суті являє собою взаємодію шару електронів із шаром бозонів, таких як непрямі екситони, екситон-полярони тощо. Взаємодія між частинками Бозе та Фермі призвела до різноманітних нових і захопливих явищ, які викликали інтерес обох сторін. Базовий та прикладний погляд.
У цій роботі дослідники повідомили про новий механізм надпровідності в графені, який зумовлений взаємодією між електронами та «боголонами», а не фононами в типовій системі БКШ. Боголони або квазічастинки Боголюбова – це збудження в БКШ, які мають певні характеристики частинок. У певних діапазонах параметрів цей механізм дозволяє критичній температурі надпровідності в графені досягати 70 Кельвінів. Дослідники також розробили нову мікроскопічну теорію БКШ, яка спеціально зосереджена на системах на основі нового гібридного графену. Запропонована ними модель також передбачає, що надпровідні властивості можуть зростати з температурою, що призводить до немонотонної температурної залежності надпровідної щілини.
Крім того, дослідження показали, що дисперсія Дірака графену зберігається в цій схемі, опосередкованій боголоном. Це вказує на те, що цей надпровідний механізм включає електрони з релятивістською дисперсією, і це явище недостатньо досліджено у фізиці конденсованого стану.
Ця робота розкриває ще один спосіб досягнення високотемпературної надпровідності. Водночас, контролюючи властивості конденсату, ми можемо регулювати надпровідність графену. Це показує ще один спосіб керування надпровідними пристроями в майбутньому.
Час публікації: 16 липня 2021 р. 
