Figura 1. Um sistema híbrido que consiste em um gás de elétron em grafeno (camada superior) separado de um condensado de Bose-Einstein bidimensional, representado por excitons indiretos (camadas azuis e vermelhas). Os elétrons no grafeno e nos excitons são acoplados pela força de Coulomb. Crédito:Institute for Basic Science
Supercondutividade é um fenômeno físico onde a resistência elétrica de um material cai a zero sob uma certa temperatura crítica. A teoria de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) é uma explicação bem estabelecida que descreve a supercondutividade na maioria dos materiais. Ele afirma que os pares de elétrons de Cooper são formados na rede sob temperatura suficientemente baixa e que a supercondutividade BCS surge de sua condensação. Embora o grafeno em si seja um excelente condutor de eletricidade, não exibe supercondutividade BCS devido à supressão das interações elétron-fônon. Esta também é a razão pela qual a maioria dos 'bons' condutores, como ouro e cobre, são supercondutores 'ruins'.
Pesquisadores do Centro de Física Teórica de Sistemas Complexos (PCS), dentro do Institute for Basic Science (IBS, Coreia do Sul) relataram um novo mecanismo alternativo para alcançar a supercondutividade em grafeno. Eles conseguiram essa façanha ao propor um sistema híbrido que consiste em grafeno e condensado de Bose-Einstein 2D (BEC). Esta pesquisa está publicada na revista Materiais 2D .
Junto com a supercondutividade, BEC é outro fenômeno que surge em baixas temperaturas. É o quinto estado da matéria predito pela primeira vez por Einstein em 1924. A formação de BEC ocorre quando átomos de baixa energia se agrupam e entram no mesmo estado de energia, e é uma área amplamente estudada na física da matéria condensada. Um sistema híbrido de Bose-Fermi representa essencialmente uma camada de elétrons interagindo com uma camada de bósons, como excitons indiretos, exciton-polaritons, etc. A interação entre as partículas de Bose e Fermi leva a vários novos fenômenos fascinantes, que desperta interesses das perspectivas fundamentais e orientadas para a aplicação.
Figura 2. (a) Dependência da lacuna supercondutora com a temperatura para o processo mediado por bogolon com correção de temperatura (tracejado) e sem correção de temperatura (sólido). (b) A temperatura crítica da transição de supercondutividade como uma função da densidade do condensado para interação mediada por bogolon com (tracejado em vermelho) e sem (sólido em preto) a correção de temperatura. A linha pontilhada azul mostra a temperatura de transição do BKT como uma função da densidade do condensado. Crédito:Institute for Basic Science
Nesse trabalho, os pesquisadores relatam um novo mecanismo de supercondutividade no grafeno, que surge devido às interações entre elétrons e "bogolons, "em vez de fônons como em sistemas BCS típicos. Bogolons, ou quasipartículas de Bogoliubov, são excitação dentro do BEC que tem algumas características de uma partícula. Em certas faixas de parâmetros, este mecanismo permite a temperatura crítica para supercondutividade de até 70 Kelvin dentro do grafeno. Os pesquisadores também desenvolveram uma nova teoria microscópica de BCS que se concentra especificamente no novo sistema híbrido baseado em grafeno. O modelo proposto também prevê que as propriedades supercondutoras podem ser aumentadas com a temperatura, resultando na dependência não monótona da lacuna supercondutora com a temperatura.
Além disso, a pesquisa mostrou que a dispersão de Dirac do grafeno é preservada neste esquema mediado por bogolon. Isso indica que este mecanismo supercondutor envolve elétrons com dispersão relativística - um fenômeno que não é tão bem explorado na física da matéria condensada.
"Este trabalho lança luz sobre uma forma alternativa de alcançar a supercondutividade de alta temperatura. Enquanto isso, controlando as propriedades de um condensado, podemos ajustar a supercondutividade do grafeno. Isso sugere outro canal para controlar os dispositivos supercondutores no futuro, "explica Ivan Savenko, o líder da equipe Light-Matter Interaction in Nanostructures (LUMIN) no PCS IBS.
