A supercondutividade é um fenômeno físico no qual a resistência elétrica de um material cai a zero a uma determinada temperatura crítica. A teoria de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) é uma explicação eficaz que descreve a supercondutividade na maioria dos materiais. Ela aponta que pares de elétrons de Cooper são formados na rede cristalina a uma temperatura suficientemente baixa e que a supercondutividade BCS resulta da condensação desses pares. Embora o grafeno seja um excelente condutor elétrico, ele não exibe supercondutividade BCS devido à supressão da interação elétron-fônon. É por isso que a maioria dos "bons" condutores (como ouro e cobre) são "maus" supercondutores.
Pesquisadores do Centro de Física Teórica de Sistemas Complexos (PCS) do Instituto de Ciências Básicas (IBS, Coreia do Sul) relataram um novo mecanismo alternativo para alcançar a supercondutividade no grafeno. Eles obtiveram esse feito propondo um sistema híbrido composto de grafeno e um condensado de Bose-Einstein bidimensional (BEC). A pesquisa foi publicada na revista 2D Materials.
Um sistema híbrido constituído por gás de elétrons (camada superior) no grafeno, separado do condensado de Bose-Einstein bidimensional, representado por excítons indiretos (camadas azul e vermelha). Os elétrons e os excítons no grafeno estão acoplados pela força de Coulomb.
(a) Dependência da temperatura na lacuna supercondutora no processo mediado por bogolons com correção de temperatura (linha tracejada) e sem correção de temperatura (linha contínua). (b) Temperatura crítica da transição supercondutora em função da densidade do condensado para interações mediadas por bogolons com (linha tracejada vermelha) e sem (linha contínua preta) correção de temperatura. A linha pontilhada azul mostra a temperatura de transição BKT em função da densidade do condensado.
Além da supercondutividade, o condensado de Bose-Fermi (BEC) é outro fenômeno que ocorre em baixas temperaturas. É o quinto estado da matéria, previsto por Einstein em 1924. A formação do BEC ocorre quando átomos de baixa energia se agrupam e entram no mesmo estado de energia, sendo um campo de extensa pesquisa na física da matéria condensada. O sistema híbrido de Bose-Fermi representa essencialmente a interação de uma camada de elétrons com uma camada de bósons, como éxcitons indiretos, éxciton-pólarons, entre outros. A interação entre partículas de Bose e Fermi levou a uma variedade de fenômenos novos e fascinantes, que despertaram o interesse de ambas as partes, tanto em sua perspectiva básica quanto aplicada.
Neste trabalho, os pesquisadores relataram um novo mecanismo de supercondutividade no grafeno, que se deve à interação entre elétrons e "bogolons", em vez de fônons em um sistema BCS típico. Bogolons, ou quasipartículas de Bogoliubov, são excitações em um condensado de Bose-Einstein (BEC) que possuem certas características de partículas. Dentro de determinadas faixas de parâmetros, esse mecanismo permite que a temperatura crítica de supercondutividade no grafeno atinja valores tão altos quanto 70 Kelvin. Os pesquisadores também desenvolveram uma nova teoria BCS microscópica que se concentra especificamente em sistemas baseados em um novo grafeno híbrido. O modelo proposto prevê ainda que as propriedades supercondutoras podem aumentar com a temperatura, resultando em uma dependência não monotônica da lacuna supercondutora em relação à temperatura.
Além disso, estudos demonstraram que a dispersão de Dirac do grafeno é preservada nesse esquema mediado por bogolons. Isso indica que esse mecanismo supercondutor envolve elétrons com dispersão relativística, e esse fenômeno ainda não foi bem explorado na física da matéria condensada.
Este trabalho revela uma nova maneira de alcançar a supercondutividade em altas temperaturas. Ao mesmo tempo, controlando as propriedades do condensado, podemos ajustar a supercondutividade do grafeno. Isso demonstra uma nova forma de controlar dispositivos supercondutores no futuro.
Data da publicação: 16 de julho de 2021 
