Figure 1. Un système hybride constitué d'un gaz d'électrons dans du graphène (couche supérieure) séparé d'un condensat de Bose-Einstein bidimensionnel, représentés par des excitons indirects (couches bleue et rouge). Les électrons du graphène et les excitons sont couplés par la force de Coulomb. Crédit : Institut des sciences fondamentales
La supraconductivité est un phénomène physique où la résistance électrique d'un matériau tombe à zéro sous une certaine température critique. La théorie de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) est une explication bien établie qui décrit la supraconductivité dans la plupart des matériaux. Il indique que des paires d'électrons de Cooper se forment dans le réseau à une température suffisamment basse et que la supraconductivité BCS résulte de leur condensation. Alors que le graphène lui-même est un excellent conducteur d'électricité, il ne présente pas de supraconductivité BCS en raison de la suppression des interactions électron-phonon. C'est aussi la raison pour laquelle la plupart des « bons » conducteurs tels que l'or et le cuivre sont de « mauvais » supraconducteurs.
Chercheurs du Centre de Physique Théorique des Systèmes Complexes (PCS), au sein de l'Institut des sciences fondamentales (IBS, Corée du Sud) ont signalé un nouveau mécanisme alternatif pour atteindre la supraconductivité dans le graphène. Ils ont réussi cet exploit en proposant un système hybride composé de graphène et de condensat 2D de Bose-Einstein (BEC). Cette recherche est publiée dans la revue Matériaux 2D .
Avec la supraconductivité, Le BEC est un autre phénomène qui se produit à basse température. C'est le cinquième état de la matière prédit pour la première fois par Einstein en 1924. La formation de BEC se produit lorsque des atomes de basse énergie s'agglutinent et entrent dans le même état d'énergie, et c'est un domaine qui est largement étudié en physique de la matière condensée. Un système hybride Bose-Fermi représente essentiellement une couche d'électrons interagissant avec une couche de bosons, comme les excitons indirects, excitons-polaritons, etc. L'interaction entre les particules de Bose et de Fermi conduit à divers nouveaux phénomènes fascinants, ce qui suscite des intérêts à la fois du point de vue fondamental et orienté vers l'application.
Figure 2. (a) Dépendance de la température de l'espace supraconducteur pour le processus médié par le bogolon avec correction de température (en pointillés) et sans correction de température (solide). (b) La température critique de la transition de supraconductivité en fonction de la densité du condensat pour l'interaction médiée par le bogolon avec (pointillé rouge) et sans (solide noir) la correction de température. La ligne pointillée bleue montre la température de transition BKT en fonction de la densité du condensat. Crédit : Institut des sciences fondamentales
Dans ce travail, les chercheurs rapportent un nouveau mécanisme de supraconductivité dans le graphène, qui survient en raison des interactions entre les électrons et les "bogolons, " plutôt que des phonons comme dans les systèmes BCS typiques. Bogolons, ou quasiparticules de Bogoliubov, sont une excitation au sein de BEC qui présente certaines caractéristiques d'une particule. Dans certaines plages de paramètres, ce mécanisme permet la température critique pour la supraconductivité jusqu'à 70 Kelvin dans le graphène. Les chercheurs ont également développé une nouvelle théorie BCS microscopique qui se concentre spécifiquement sur le nouveau système hybride à base de graphène. Leur modèle proposé prédit également que les propriétés supraconductrices peuvent être améliorées avec la température, résultant en une dépendance à la température non monotone de l'espace supraconducteur.
Par ailleurs, la recherche a montré que la dispersion de Dirac du graphène est préservée dans ce schéma médié par les bogolons. Cela indique que ce mécanisme supraconducteur implique des électrons avec une dispersion relativiste, un phénomène qui n'est pas si bien exploré en physique de la matière condensée.
"Ce travail met en lumière une autre façon d'atteindre la supraconductivité à haute température. en contrôlant les propriétés d'un condensat, nous pouvons régler la supraconductivité du graphène. Cela suggère un autre canal pour contrôler les dispositifs supraconducteurs à l'avenir, " explique Ivan Savenko, le leader de l'équipe Interaction Lumière-Matière dans les Nanostructures (LUMIN) au PCS IBS.
