Siêu dẫn là một hiện tượng vật lý trong đó điện trở của vật liệu giảm xuống bằng không ở một nhiệt độ tới hạn nào đó. Lý thuyết Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) là một lời giải thích hiệu quả, mô tả tính siêu dẫn trong hầu hết các vật liệu. Lý thuyết này chỉ ra rằng các cặp electron Cooper được hình thành trong mạng tinh thể ở nhiệt độ đủ thấp và tính siêu dẫn BCS xuất phát từ sự ngưng tụ của chúng. Mặc dù bản thân graphene là một chất dẫn điện tuyệt vời, nhưng nó không thể hiện tính siêu dẫn BCS do sự ức chế tương tác electron-phonon. Đây là lý do tại sao hầu hết các chất dẫn điện "tốt" (như vàng và đồng) đều là chất siêu dẫn "xấu".
Các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Vật lý lý thuyết của các hệ thống phức tạp (PCS) thuộc Viện Khoa học cơ bản (IBS, Hàn Quốc) đã báo cáo một cơ chế thay thế mới để đạt được tính siêu dẫn trong graphene. Họ đã đạt được kỳ tích này bằng cách đề xuất một hệ thống lai tạo gồm graphene và ngưng tụ Bose-Einstein hai chiều (BEC). Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí 2D Materials.
Một hệ thống lai bao gồm khí electron (lớp trên cùng) trong graphene, tách ra khỏi ngưng tụ Bose-Einstein hai chiều, được biểu diễn bằng các exciton gián tiếp (lớp màu xanh và đỏ). Các electron và exciton trong graphene được ghép nối bằng lực Coulomb.
(a) Sự phụ thuộc nhiệt độ của khoảng cách siêu dẫn trong quá trình trung gian bogolon với hiệu chỉnh nhiệt độ (đường nét đứt) và không có hiệu chỉnh nhiệt độ (đường nét liền). (b) Nhiệt độ tới hạn của quá trình chuyển đổi siêu dẫn như một hàm của mật độ ngưng tụ đối với các tương tác trung gian bogolon với (đường nét đứt màu đỏ) và không có (đường nét liền màu đen) hiệu chỉnh nhiệt độ. Đường nét chấm màu xanh lam cho thấy nhiệt độ chuyển đổi BKT như một hàm của mật độ ngưng tụ.
Ngoài siêu dẫn, BEC là một hiện tượng khác xảy ra ở nhiệt độ thấp. Đây là trạng thái thứ năm của vật chất được Einstein dự đoán lần đầu tiên vào năm 1924. Sự hình thành BEC xảy ra khi các nguyên tử năng lượng thấp tập hợp lại với nhau và đi vào cùng một trạng thái năng lượng, đây là một lĩnh vực nghiên cứu sâu rộng trong vật lý vật chất ngưng tụ. Hệ thống Bose-Fermi lai về cơ bản biểu diễn sự tương tác của một lớp electron với một lớp boson, chẳng hạn như exciton gián tiếp, exciton-polaron, v.v. Sự tương tác giữa các hạt Bose và Fermi đã dẫn đến nhiều hiện tượng mới lạ và hấp dẫn, thu hút sự quan tâm của cả hai bên. Quan điểm cơ bản và hướng đến ứng dụng.
Trong công trình này, các nhà nghiên cứu đã báo cáo một cơ chế siêu dẫn mới trong graphene, là do sự tương tác giữa các electron và "bogolon" chứ không phải là các phonon trong một hệ thống BCS thông thường. Bogolon hoặc các hạt bán Bogoliubov là các kích thích trong BEC, có một số đặc điểm nhất định của các hạt. Trong một số phạm vi tham số nhất định, cơ chế này cho phép nhiệt độ tới hạn siêu dẫn trong graphene đạt tới 70 Kelvin. Các nhà nghiên cứu cũng đã phát triển một lý thuyết BCS vi mô mới tập trung cụ thể vào các hệ thống dựa trên graphene lai mới. Mô hình mà họ đề xuất cũng dự đoán rằng các đặc tính siêu dẫn có thể tăng theo nhiệt độ, dẫn đến sự phụ thuộc nhiệt độ không đơn điệu của khoảng cách siêu dẫn.
Ngoài ra, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự phân tán Dirac của graphene được bảo toàn trong sơ đồ trung gian bogolon này. Điều này chỉ ra rằng cơ chế siêu dẫn này liên quan đến các electron có sự phân tán tương đối tính và hiện tượng này chưa được khám phá kỹ trong vật lý vật chất ngưng tụ.
Công trình này tiết lộ một cách khác để đạt được siêu dẫn nhiệt độ cao. Đồng thời, bằng cách kiểm soát các đặc tính của ngưng tụ, chúng ta có thể điều chỉnh siêu dẫn của graphene. Điều này cho thấy một cách khác để kiểm soát các thiết bị siêu dẫn trong tương lai.
Thời gian đăng: 16-07-2021 
