超伝導とは、ある臨界温度において物質の電気抵抗がゼロに低下する物理現象です。バーディーン・クーパー・シュリーファー（BCS）理論は、ほとんどの物質の超伝導を説明する効果的な説明として知られています。この理論は、十分に低い温度において結晶格子中にクーパー電子対が形成され、その凝縮によってBCS超伝導が発現することを指摘しています。グラフェン自体は優れた電気伝導体ですが、電子-フォノン相互作用が抑制されるため、BCS超伝導を示さないのです。そのため、金や銅などの「良導体」の多くは「悪導体」となります。
韓国基礎科学研究所（IBS）複雑系理論物理学センター（PCS）の研究者らは、グラフェンで超伝導を実現する新たな代替メカニズムを報告した。彼らは、グラフェンと2次元ボーズ・アインシュタイン凝縮体（BEC）からなるハイブリッドシステムを提案することで、この偉業を達成した。この研究は2D Materials誌に掲載された。
グラフェン中の電子ガス（最上層）と、間接励起子（青と赤の層）で表される2次元ボーズ・アインシュタイン凝縮体からなるハイブリッドシステム。グラフェン中の電子と励起子はクーロン力によって結合している。
(a) ボゴロン媒介過程における超伝導ギャップの温度依存性。温度補正あり（破線）と温度補正なし（実線）。(b) ボゴロン媒介相互作用における超伝導転移の臨界温度。温度補正あり（赤破線）と温度補正なし（黒実線）の場合の凝縮体密度の関数として。青点線は、BKT転移温度を凝縮体密度の関数として示している。
超伝導に加えて、低温で発生するもう一つの現象がBECです。これは1924年にアインシュタインによって初めて予言された物質の第5の状態です。BECの形成は、低エネルギーの原子が集まって同じエネルギー状態に入るときに起こり、凝縮物質物理学において広範な研究分野となっています。ハイブリッドボーズ・フェルミ系は、本質的に電子層とボソン層（間接励起子、励起子ポーラロンなど）との相互作用を表しています。ボーズ粒子とフェルミ粒子の相互作用は、様々な斬新で魅力的な現象を引き起こし、両者の関心を喚起しました。基礎と応用の両方の観点から。
本研究で、研究者らはグラフェンにおける新たな超伝導機構を報告しました。これは、典型的なBCS系におけるフォノンではなく、電子と「ボゴロン」との相互作用によるものです。ボゴロン、あるいはボゴリュボフ準粒子は、BECにおける励起子であり、粒子としての特性を備えています。特定のパラメータ範囲内で、この機構によりグラフェンの超伝導臨界温度は最大70ケルビンに達します。研究者らはまた、新しいハイブリッドグラフェンをベースとした系に特化した新たな微視的BCS理論も開発しました。提案されたモデルは、超伝導特性が温度とともに増加し、その結果、超伝導ギャップの温度依存性が非単調になることも予測しています。
さらに、このボゴロン媒介機構ではグラフェンのディラック分散が維持されることが研究で示されています。これは、この超伝導機構が相対論的分散を持つ電子に関係していることを示しており、この現象は凝縮系物理学では十分に研究されていません。
この研究は、高温超伝導を実現する新たな方法を明らかにしました。同時に、凝縮体の特性を制御することでグラフェンの超伝導性を調整することが可能となり、将来的に超伝導デバイスを制御する新たな方法の可能性を示しています。
投稿日時: 2021年7月16日
