Исследователи из Центра теоретической физики комплексных систем при Институте базовых наук в Южной Корее сообщили об открытии нового механизма сверхпроводимости в графене. Он достигается совмещением графена с двумерным конденсатом Бозе-Эйнштейна. Работа была опубликована в журнале 2D Materials.

При сверхпроводимости после понижения температуры до определённого порогового значения электрическое сопротивление материала падает до нуля. Общепризнанным сегодня объяснением работы почти всех сверхпроводников является теория Бардина — Купера — Шриффера (теория БКШ). Согласно теории, в решётке образуются куперовские пары электронов, которые начинают вести себя как бозоны и перестают сталкиваться с решёткой. В результате их конденсации появляется сверхпроводимость.

Хотя графен прекрасно проводит электричество, сверхпроводимость по БКШ в нём не наблюдается, поскольку он подавляет взаимодействие электронов с фотонами. По этой же причине большинство хорошо проводящих ток материалов (золото, медь) — плохие сверхпроводники.

Гибридная система, состоящая из электронного газа в графене (верхний слой), отделённого от двумерного конденсата Бозе-Эйнштейна, представляемого непрямыми экситонами (синий и красный слои). Электроны в графене связываются с экситонами силами Кулона.

При низких температурах возникает не только сверхпроводимость, но и конденсат Бозе-Эйнштейна (КБЭ). Это пятое агрегатное состояние вещества, впервые предсказанное Эйнштейном в 1924 году. Оно возникает, когда атомы с низкой энергией собираются вместе и переходят на один энергетический уровень. Гибрид системы Бозе-Ферми получается, когда слой электронов взаимодействует со слоем бозонов – к примеру, с непрямыми экситонами.

В графене сверхпроводимость возникает в результате взаимодействия электронов не с фотонами, как обычно, а с боголюбонами – квазичастицами, предсказанными русским советским математиком и физиком-теоретиком Николаем Николаевичем Боголюбовым. При некоторых условиях этот механизм работает в графене при температурах до 70 К.

Более того, исследование показало, что в данной схеме сохраняется дираковская дисперсия графена. Это указывает на то, что в этом сверхпроводящем механизме задействованы электроны с релятивистской дисперсией. Это явление не так хорошо изучено в физике конденсированного состояния.

Руководитель отдела взаимодействия света и материи в наноструктурах в Институте базовых наук Иван Савенко пояснил, что эта работа проливает свет на альтернативный метод достижения высокотемпературной сверхпроводимости. Управляя свойствами конденсата, можно подстраивать параметры сверхпроводимости графена. В будущем это даст нам ещё один способ управления сверхпроводящими устройствами.