超伝導とは、物質の電気抵抗が特定の臨界温度でゼロになる物理現象です。バーディーン・クーパー・シュリーファー（BCS）理論は、ほとんどの物質における超伝導を説明する有効な理論です。この理論は、結晶格子内で十分に低い温度でクーパー電子対が形成され、BCS超伝導はその凝縮によって生じると指摘しています。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超伝導は示しません。これが、金や銅などの「良導体」の多くが「不良」超伝導体である理由です。
韓国基礎科学研究院（IBS）の複雑系理論物理学センター（PCS）の研究者らは、グラフェンにおける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、グラフェンと二次元ボーズ・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、この成果を達成した。この研究は、学術誌「2D Materials」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（青層と赤層）で表される二次元ボーズ・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）の場合を示す。(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を凝縮体密度の関数として示す。温度補正あり（赤破線）と温度補正なし（黒実線）の場合を示す。青点線は、凝縮体密度の関数としてのBKT転移温度を示す。
超伝導に加えて、BECは低温で発生するもう一つの現象です。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発生し、凝縮系物理学における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、間接励起子、励起子ポーラロンなどのボソン層と電子層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、さまざまな斬新で魅力的な現象を引き起こし、両者の関心を惹きつけています。基礎的および応用的な観点。
本研究において、研究者らは、グラフェンにおける新たな超伝導メカニズムを報告した。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ある。ボゴロン、すなわちボゴリューボフ準粒子は、ボーズ・アインシュタイン凝縮体（BEC）における励起であり、粒子特有の性質を持つ。特定のパラメータ範囲内において、このメカニズムにより、グラフェンの超伝導臨界温度は70ケルビンに達する可能性がある。研究者らはまた、新しいハイブリッドグラフェンに基づくシステムに特化した、新たな微視的BCS理論を開発した。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し、超伝導ギャップの温度依存性が単調ではないことを予測している。
さらに、研究により、このボゴロン媒介スキームにおいてもグラフェンのディラック分散が保持されることが示されている。これは、この超伝導機構が相対論的分散を持つ電子に関与していることを示しており、この現象は凝縮系物理学において十分に研究されていない。
本研究は、高温超伝導を実現する新たな方法を明らかにした。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できることも示された。これは、将来の超伝導デバイスを制御する新たな道筋を示すものである。
投稿日時：2021年7月16日
