La superconductividad es un fenómeno físico en el que la resistencia eléctrica de un material cae a cero a cierta temperatura crítica. La teoría de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) es una explicación efectiva, que describe la superconductividad en la mayoría de los materiales. Señala que los pares de electrones Cooper se forman en la red de cristal a una temperatura suficientemente baja, y que la superconductividad de BCS proviene de su condensación. Aunque el grafeno en sí es un excelente conductor eléctrico, no exhibe la superconductividad BCS debido a la supresión de la interacción electrones-fonón. Es por eso que la mayoría de los conductores "buenos" (como el oro y el cobre) son superconductores "malos".
Investigadores del Centro de Física Teórica de sistemas complejos (PC) del Instituto de Ciencias Básicas (SII, Corea del Sur) informaron un nuevo mecanismo alternativo para lograr la superconductividad en el grafeno. Lograron esta hazaña proponiendo un sistema híbrido compuesto de grafeno y condensado bidimensional de Bose-Einstein (BEC). La investigación fue publicada en la revista 2D Materials.
Un sistema híbrido que consiste en gas de electrones (capa superior) en grafeno, separado del condensado bidimensional de Bose-Einstein, representado por excitones indirectos (capas azules y rojas). Los electrones y los excitones en el grafeno están acoplados por la fuerza de Coulomb.
(a) La dependencia de la temperatura del espacio superconductor en el proceso mediado por Bogolon con corrección de temperatura (línea discontinua) y sin corrección de temperatura (línea continua). (b) La temperatura crítica de la transición superconductora en función de la densidad de condensado para las interacciones mediadas por Bogolon con la corrección de temperatura (línea roja discontinua) y sin (línea continua negra). La línea punteada azul muestra la temperatura de transición BKT en función de la densidad de condensado.
Además de la superconductividad, BEC es otro fenómeno que ocurre a bajas temperaturas. Es el quinto estado de la materia predicho por primera vez por Einstein en 1924. La formación de BEC ocurre cuando los átomos de baja energía se reúnen y ingresan al mismo estado de energía, que es un campo de investigación extensa en física de materia condensada. El sistema híbrido de bose-fermi representa esencialmente la interacción de una capa de electrones con una capa de bosones, como excitones indirectos, excitones polaros, etc. La interacción entre las partículas de Bose y Fermi condujo a una variedad de fenómenos novedosos y fascinantes, lo que despertó el interés de ambas partes. Vista básica y orientada a la aplicación.
En este trabajo, los investigadores informaron un nuevo mecanismo de superconducción en grafeno, que se debe a la interacción entre electrones y "bogolones" en lugar de los fonones en un sistema BCS típico. Bogolones o cuasipartículas de Bogoliubov son excitaciones en BEC, que tienen ciertas características de las partículas. Dentro de ciertos rangos de parámetros, este mecanismo permite que la temperatura crítica superconductora en el grafeno alcance hasta 70 Kelvin. Los investigadores también han desarrollado una nueva teoría microscópica de BCS que se centra específicamente en sistemas basados en el nuevo grafeno híbrido. El modelo que propusieron también predice que las propiedades superconductoras pueden aumentar con la temperatura, lo que resulta en una dependencia de la temperatura no monotónica de la brecha superconductora.
Además, los estudios han demostrado que la dispersión Dirac del grafeno se conserva en este esquema mediado por Bogolon. Esto indica que este mecanismo superconductor involucra electrones con dispersión relativista, y este fenómeno no ha sido bien explorado en la física de la materia condensada.
Este trabajo revela otra forma de lograr una superconductividad de alta temperatura. Al mismo tiempo, al controlar las propiedades del condensado, podemos ajustar la superconductividad del grafeno. Esto muestra otra forma de controlar dispositivos superconductores en el futuro.
Tiempo de publicación: julio-16-2021 
