超伝導とは、物質の電気抵抗が特定の臨界温度で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、ほとんどの材料の超伝導を説明する効果的な説明です。それは、クーパー電子対が十分に低い温度で結晶格子内に形成され、BCS 超伝導がそれらの凝縮によって生じ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、電子とフォノンの相互作用が抑制されているため、BCS 超伝導性を示しません。これが、ほとんどの「良い」導体 (金や銅など) が「悪い」超伝導体である理由です。
基礎科学研究所（IBS、韓国）の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達成するための新しい代替機構を報告した。彼らは、グラフェンと二次元ボース・アインシュタイン凝縮体 (BEC) で構成されるハイブリッド システムを提案することでこの偉業を達成しました。この研究はジャーナル 2D Materials に掲載されました。
間接励起子 (青と赤の層) で表される 2 次元のボース アインシュタイン凝縮から分離された、グラフェン内の電子ガス (最上層) で構成されるハイブリッド システム。グラフェン内の電子と励起子はクーロン力によって結合します。
(a) 温度補正あり(破線)と温度補正なし(実線)のボゴロン媒介プロセスにおける超電導ギャップの温度依存性。(b) 温度補正あり(赤破線)となし(黒実線)のボゴロン媒介相互作用の凝縮物密度の関数としての超伝導転移の臨界温度。青い点線は、BKT 転移温度を凝縮密度の関数として示します。
超電導に加えて、BEC も低温で発生する現象です。これは、1924 年にアインシュタインによって初めて予測された物質の 5 番目の状態です。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なるときに発生します。これは、物性物理学の広範な研究分野です。ハイブリッド ボーズ フェルミ系は本質的に、電子の層と間接励起子、励起子 - ポーラロンなどのボーソンの層との相互作用を表します。ボーズ粒子とフェルミ粒子の間の相互作用は、さまざまな斬新で魅力的な現象を引き起こし、双方の関心を呼び起こしました。基本およびアプリケーション指向のビュー。
この研究で研究者らは、グラフェンにおける新しい超伝導メカニズムを報告しました。これは、典型的なBCSシステムにおけるフォノンではなく、電子と「ボゴロン」との間の相互作用によるものです。ボゴロンまたはボゴリューボフ準粒子は、粒子の特定の特性を備えた BEC の励起です。このメカニズムにより、特定のパラメーター範囲内で、グラフェンの超電導臨界温度が 70 ケルビンにも達します。研究者らはまた、特に新しいハイブリッドグラフェンに基づくシステムに焦点を当てた、新しい微視的な BCS 理論を開発しました。彼らが提案したモデルは、超伝導特性が温度とともに増加する可能性があり、その結果、超伝導ギャップの非単調な温度依存性が生じる可能性があることも予測しています。
さらに、研究では、グラフェンのディラック分散がこのボゴロン媒介スキームで保存されることが示されています。これは、この超伝導メカニズムには相対論的分散を持つ電子が関与していることを示していますが、この現象は物性物理学では十分に調査されていません。
この研究は、高温超伝導を達成する別の方法を明らかにしました。同時に、凝縮物の性質を制御することにより、グラフェンの超伝導性を調整することができます。これは、将来の超電導デバイスを制御する別の方法を示しています。
投稿時間: 2021 年 7 月 16 日