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) 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 proviene de 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) informaron sobre un nuevo mecanismo alternativo para lograr la superconductividad en el grafeno. Consiguieron este avance proponiendo un sistema híbrido compuesto de 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 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 bogolón con corrección de temperatura (línea discontinua) y sin corrección de temperatura (línea continua). (b) Temperatura crítica de transición superconductora en función de la densidad del condensado para interacciones mediadas por bogolón con (línea discontinua roja) y sin (línea continua negra) corrección de temperatura. La línea de puntos 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 primera vez por Einstein en 1924. La formación de un BEC se produce cuando átomos de baja energía se agrupan y alcanzan el mismo estado energético, un campo de extensa investigación en la física de la 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, excitón-polarones, etc. La interacción entre partículas de Bose y Fermi ha dado lugar a diversos fenómenos novedosos y fascinantes, que han despertado el interés de ambas partes. Visión básica y orientada a las aplicaciones.
En este trabajo, los investigadores informaron sobre un nuevo mecanismo superconductor en el grafeno, debido 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 el condensado de Bose-Einstein (BEC) que poseen ciertas características de 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 desarrollaron una nueva teoría BCS microscópica que se centra específicamente en sistemas basados en un nuevo grafeno híbrido. El modelo propuesto predice además que las propiedades superconductoras pueden aumentar con la temperatura, lo que resulta en una dependencia no monótona de la brecha superconductora con la temperatura.
Además, diversos estudios han demostrado que la dispersión de Dirac del grafeno se conserva en este esquema mediado por bogolón. Esto indica que este mecanismo superconductor involucra electrones con dispersión relativista, un fenómeno que no ha sido suficientemente explorado en la física de la materia condensada.
Este trabajo revela otra forma de lograr la superconductividad a alta temperatura. Al mismo tiempo, al controlar las propiedades del condensado, podemos ajustar la superconductividad del grafeno. Esto abre una nueva vía para controlar los dispositivos superconductores en el futuro.
Fecha de publicación: 16 de julio de 2021 
