Siêu dẫn là một hiện tượng vật lý trong đó điện trở của một vật liệu giảm xuống bằng không ở một nhiệt độ tới hạn nhất định. Lý thuyết Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) là một lời giải thích hiệu quả, mô tả hiện tượng 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 hiện tượng 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 hiện tượng siêu dẫn BCS do sự triệt tiêu tương tác electron-phonon. Đây là lý do tại sao hầu hết các chất dẫn điện "tốt" (như vàng và đồng) lại là các 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 thành tựu này bằng cách đề xuất một hệ thống lai 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, được tách biệt 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 liên kết với nhau bằng 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 như một hàm của mật độ ngưng tụ đối với tương tác trung gian bogolon có (đường nét đứt màu đỏ) và không có (đường nét liền màu đen) hiệu chỉnh nhiệt độ. Đường chấm xanh lam thể hiện nhiệt độ chuyển tiếp BKT như một hàm của mật độ ngưng tụ.
Bên cạnh hiện tượng siêu dẫn, ngưng tụ Bose-Einstein (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 và cùng đạt đến trạng thái năng lượng giống nhau, đây là một lĩnh vực nghiên cứu rộng rãi trong vật lý chất rắn. Hệ lai Bose-Fermi về cơ bản thể hiện 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 phía. Cả về mặt cơ bản và ứng dụng.
Trong công trình 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" thay vì phonon trong hệ thống BCS điển hình. Bogolon, hay các hạt giả Bogoliubov, là các kích thích trong BEC, có những đặc tính 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 tính chất siêu dẫn có thể tăng lên theo nhiệt độ, dẫn đến sự phụ thuộc nhiệt độ không đơn điệu của khe 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 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 trong vật lý chất rắn.
Nghiên cứu này hé lộ một phương pháp khác để đạt được trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ cao. Đồng thời, bằng cách kiểm soát các đặc tính của chất ngưng tụ, chúng ta có thể điều chỉnh tính siêu dẫn của graphene. Điều này cho thấy một hướng đi khác để điều khiển các thiết bị siêu dẫn trong tương lai.
Thời gian đăng bài: 16/7/2021 
