La superconductividad es un fenómeno físico en el que la resistencia eléctrica de un material se reduce a cero a una temperatura crítica determinada. La teoría de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) es una explicación eficaz que describe la superconductividad en la mayoría de los materiales. Señala que los pares de electrones de Cooper se forman en la red cristalina a una temperatura suficientemente baja, y que la superconductividad BCS proviene de su condensación. Aunque el grafeno en sí mismo es un excelente conductor eléctrico, no presenta superconductividad BCS debido a la supresión de la interacción electrón-fonón. Por esta razón, 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) informaron sobre un nuevo mecanismo alternativo para lograr la superconductividad en el grafeno. Lograron esta hazaña al proponer un sistema híbrido compuesto de grafeno y condensado de Bose-Einstein bidimensional (BEC). La investigación se publicó en la revista 2D Materials.
Un sistema híbrido compuesto por gas de electrones (capa superior) en grafeno, separado del condensado bidimensional de Bose-Einstein, representado por excitones indirectos (capas azul y roja). Los electrones y excitones en el grafeno están acoplados por la fuerza de Coulomb.
(a) Dependencia de la temperatura de la brecha superconductora 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 corrección de temperatura (línea discontinua roja) y sin corrección de temperatura (línea continua negra). La línea discontinua azul muestra la temperatura de transición BKT en función de la densidad del condensado.
Además de la superconductividad, el 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 del BEC ocurre cuando átomos de baja energía se unen y alcanzan el mismo estado energético, un campo de extensa investigación 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 excitones indirectos, excitón-polarones, etc. La interacción entre las partículas de Bose y Fermi dio lugar a diversos fenómenos novedosos y fascinantes que despertaron el interés de ambas partes. Visión básica y orientada a la aplicación.
En este trabajo, los investigadores informaron un nuevo mecanismo superconductor en grafeno, que se debe a la interacción entre electrones y "bogolones" en lugar de los fonones en un sistema BCS típico. Los bogolones o cuasipartículas de Bogoliubov son excitaciones en BEC, que tienen ciertas características de partículas. Dentro de ciertos rangos de parámetros, este mecanismo permite que la temperatura crítica superconductora en grafeno alcance hasta 70 Kelvin. Los investigadores también han desarrollado una nueva teoría BCS microscópica que se centra específicamente en sistemas basados en nuevo grafeno híbrido. El modelo que propusieron también predice que las propiedades superconductoras pueden aumentar con la temperatura, lo que resulta en una dependencia no monótona de la temperatura de la brecha superconductora.
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 superconductividad a 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.
Hora de publicación: 16 de julio de 2021 
