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 nhất định. Lý thuyết Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) là một 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 đến 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) lại là những chất siêu dẫn "kém".
Các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Vật lý Lý thuyết 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 biệt với ngưng tụ Bose-Einstein hai chiều, được biểu diễn bằng các exciton gián tiếp (lớp xanh lam và lớp đỏ). Các electron và exciton trong graphene được liên kết bởi lực Coulomb.
(a) Sự phụ thuộc nhiệt độ của khe siêu dẫn trong quá trình trung gian bogolon có 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 tiếp siêu dẫn theo hàm số của mật độ ngưng tụ đối với các tương tác trung gian bogolon có hiệu chỉnh nhiệt độ (đường nét đứt màu đỏ) và không có hiệu chỉnh nhiệt độ (đường nét liền màu đen). Đường nét đứt màu xanh lam thể hiện nhiệt độ chuyển tiếp BKT theo hàm số của mật độ ngưng tụ.
Ngoài siêu dẫn, BEC là một hiện tượng khác xảy ra ở nhiệt độ thấp. Đây là trạng thái vật chất thứ năm 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 đạt đến cùng một trạng thái năng lượng, đây là một lĩnh vực nghiên cứu sâu rộng trong vật lý vật chất ngưng tụ. Hệ thống lai Bose-Fermi về cơ bản thể hiện sự tương tác giữa 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 một loạt các 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 nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã báo cáo một cơ chế siêu dẫn mới trong graphene, xuất phát từ sự tương tác giữa các electron và "bogolon" chứ không phải là các phonon trong một hệ BCS điển hình. Bogolon hay các giả hạt Bogoliubov là các kích thích trong BEC, vốn mang những đặc điểm nhất định của các hạt. Trong một 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 không đơn điệu của khe hở siêu dẫn vào nhiệt độ.
Ngoài ra, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự phân tán Dirac của graphene được bảo toàn trong sơ đồ bogolon trung gian này. Điều này cho thấy cơ chế siêu dẫn này liên quan đến các electron có sự phân tán tương đối tính, và hiện tượng này chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng trong vật lý vật chất ngưng tụ.
Nghiên cứu này hé 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 tính siêu dẫn của graphene. Điều này cho thấy một cách khác để điều khiển các thiết bị siêu dẫn trong tương lai.
Thời gian đăng: 16-07-2021 
