20.07.2021 - Institute for Basic Science

Descubierto un nuevo mecanismo de superconductividad en el grafeno

La colocación de un condensado de Bose-Einstein 2D en las proximidades de una capa de grafeno confiere superconductividad al material

La superconductividad es un fenómeno físico en el que la resistencia eléctrica de un material desciende a cero por debajo de una determinada temperatura crítica. La teoría de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) es una explicación bien establecida que describe la superconductividad en la mayoría de los materiales. Afirma que los pares de electrones Cooper se forman en la red a una temperatura suficientemente baja y que la superconductividad BCS surge de su condensación. Aunque el grafeno es un excelente conductor de la electricidad, no presenta superconductividad BCS debido a la supresión de las interacciones electrón-fonón. Esta es también la razón por la que 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), han presentado un novedoso mecanismo alternativo para lograr la superconductividad en el grafeno. Han logrado esta hazaña proponiendo un sistema híbrido formado por grafeno y un condensado de Bose-Einstein (BEC) en 2D. Esta investigación se publica en la revista 2D Materials.

Junto con la superconductividad, el BEC es otro fenómeno que surge a bajas temperaturas. Es el quinto estado de la materia predicho por primera vez por Einstein en 1924. La formación de BEC se produce cuando los átomos de baja energía se agrupan y entran en el mismo estado energético, y es un área muy estudiada en la física de la materia condensada. Un sistema híbrido Bose-Fermi representa esencialmente una capa de electrones que interactúa con una capa de bosones, como excitones indirectos, excitones-polaritones, etc. La interacción entre las partículas de Bose y Fermi da lugar a varios fenómenos fascinantes y novedosos, que despiertan el interés tanto desde el punto de vista fundamental como de las aplicaciones.

En este trabajo, los investigadores informan de un nuevo mecanismo de superconductividad en el grafeno, que surge debido a las interacciones entre los electrones y los "bogolones", en lugar de los fonones como en los sistemas BCS típicos. Los bogolones, o cuasipartículas de Bogoliubov, son excitaciones dentro de BEC que tienen algunas características de una partícula. En determinados rangos de parámetros, este mecanismo permite alcanzar una temperatura crítica de superconductividad de hasta 70 Kelvin dentro del grafeno. Los investigadores también desarrollaron una nueva teoría BCS microscópica que se centra específicamente en el novedoso sistema híbrido basado en el grafeno. El modelo propuesto también predice que las propiedades superconductoras pueden aumentar con la temperatura, lo que da lugar a una dependencia no monótona de la temperatura de la brecha superconductora.

Además, la investigación demostró que la dispersión de Dirac del grafeno se conserva en este esquema mediado por bogolones. Esto indica que en este mecanismo superconductor intervienen electrones con dispersión relativista, un fenómeno poco explorado en la física de la materia condensada.

"Este trabajo arroja luz sobre una forma alternativa de lograr la superconductividad a alta temperatura. Mientras tanto, controlando las propiedades de un condensado, podemos afinar la superconductividad del grafeno. Esto sugiere otro canal para controlar los dispositivos superconductores en el futuro", explica Ivan Savenko, líder del equipo de Interacción Luz-Materia en Nanoestructuras (LUMIN) del PCS IBS.

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