La superconductividad es un fenómeno físico en el que la resistencia eléctrica de un material se reduce a cero a una determinada temperatura crítica. La teoría de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) ofrece una explicación eficaz que describe la superconductividad en la mayoría de los materiales. Esta teoría señala que los pares de electrones de Cooper se forman en la red cristalina a una temperatura suficientemente baja y que la superconductividad BCS se origina en su condensación. Si bien el grafeno es un excelente conductor eléctrico, no presenta superconductividad BCS debido a la supresión de la interacción electrón-fonón. Por ello, la mayoría de los buenos conductores (como el oro y el cobre) son malos superconductores.
Investigadores del Centro de Física Teórica de Sistemas Complejos (PCS) del Instituto de Ciencias Básicas (IBS, Corea del Sur) presentaron un nuevo mecanismo alternativo para lograr la superconductividad en el grafeno. Consiguieron este logro proponiendo un sistema híbrido compuesto por grafeno y un condensado de Bose-Einstein bidimensional (BEC). La investigación se publicó en la revista 2D Materials.
Un sistema híbrido compuesto por un gas de electrones (capa superior) en grafeno, separado del condensado de Bose-Einstein bidimensional, representado por excitones indirectos (capas azul y roja). Los electrones y los excitones en el grafeno están acoplados por la fuerza de Coulomb.
(a) Dependencia de la temperatura del gap superconductor en el proceso mediado por bogolones con corrección de temperatura (línea discontinua) y sin corrección de temperatura (línea continua). (b) Temperatura crítica de la transición superconductora en función de la densidad del condensado para interacciones mediadas por bogolones con (línea discontinua roja) y sin (línea continua negra) corrección de temperatura. La línea punteada azul muestra la temperatura de transición BKT en función de la densidad del condensado.
Además de la superconductividad, el condensado de Bose-Einstein (BEC) es otro fenómeno que ocurre a bajas temperaturas. Es el quinto estado de la materia, predicho por Einstein en 1924. La formación del BEC se produce cuando átomos de baja energía se agrupan y alcanzan el mismo estado energético, lo que constituye un campo de investigación muy activo en la física de la materia condensada. El sistema híbrido Bose-Fermi representa esencialmente la interacción de una capa de electrones con una capa de bosones, como los excitones indirectos, los polarones de excitón, etc. La interacción entre las partículas de Bose y Fermi ha dado lugar a una variedad de fenómenos novedosos y fascinantes, que han despertado el interés de ambos campos, tanto desde una perspectiva básica como aplicada.
En este trabajo, los investigadores describieron un nuevo mecanismo de superconductividad en el grafeno, debido a la interacción entre electrones y bogolones, en lugar de los fonones como en un sistema BCS típico. Los bogolones, o cuasipartículas de Bogoliubov, son excitaciones en condensados de Bose-Einstein (BEC) que poseen ciertas características de partículas. Dentro de ciertos rangos de parámetros, este mecanismo permite que la temperatura crítica de superconductividad en el grafeno alcance los 70 Kelvin. Los investigadores también desarrollaron una nueva teoría BCS microscópica que se centra específicamente en sistemas basados en grafeno híbrido. El modelo propuesto predice, además, que las propiedades superconductoras pueden aumentar con la temperatura, lo que resulta en una dependencia no monotónica de la brecha superconductora con la temperatura.
Además, estudios han demostrado que la dispersión de Dirac del grafeno se conserva en este esquema mediado por bogolones. Esto indica que este mecanismo superconductor involucra electrones con dispersión relativista, un fenómeno poco explorado en la física de la materia condensada.
Este trabajo revela otra forma de lograr la superconductividad a alta temperatura. Asimismo, al controlar las propiedades del condensado, podemos ajustar la superconductividad del grafeno. Esto abre otra vía para el control de dispositivos superconductores en el futuro.
Fecha de publicación: 16 de julio de 2021 
