สภาพนำยิ่งยวดเป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพที่ความต้านทานไฟฟ้าของวัสดุลดลงเหลือศูนย์ที่อุณหภูมิวิกฤตหนึ่ง ทฤษฎีของบาร์ดีน-คูเปอร์-ชรีฟเฟอร์ (BCS) เป็นคำอธิบายที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งอธิบายสภาพนำยิ่งยวดในวัสดุส่วนใหญ่ ทฤษฎีนี้ชี้ให้เห็นว่าคู่อิเล็กตรอนคูเปอร์เกิดขึ้นในโครงตาข่ายผลึกที่อุณหภูมิต่ำเพียงพอ และสภาพนำยิ่งยวดของ BCS เกิดจากการควบแน่น แม้ว่ากราฟีนเองจะเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม แต่ก็ไม่แสดงสภาพนำยิ่งยวดของ BCS เนื่องจากถูกยับยั้งปฏิกิริยาระหว่างอิเล็กตรอนกับโฟนอน นี่คือเหตุผลที่ตัวนำไฟฟ้าที่ "ดี" ส่วนใหญ่ (เช่น ทองคำและทองแดง) จึงเป็นตัวนำยิ่งยวดที่ "ไม่ดี"
นักวิจัยจากศูนย์ฟิสิกส์เชิงทฤษฎีของระบบเชิงซ้อน (PCS) สถาบันวิทยาศาสตร์พื้นฐาน (IBS เกาหลีใต้) รายงานกลไกทางเลือกใหม่ในการสร้างสภาพนำยิ่งยวดในกราฟีน พวกเขาประสบความสำเร็จนี้โดยเสนอระบบไฮบริดที่ประกอบด้วยกราฟีนและคอนเดนเสทโบส-ไอน์สไตน์สองมิติ (BEC) งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร 2D Materials
ระบบไฮบริดที่ประกอบด้วยก๊าซอิเล็กตรอน (ชั้นบนสุด) ในกราฟีน แยกออกจากคอนเดนเสทโบส-ไอน์สไตน์สองมิติ แสดงด้วยเอกไซตอนทางอ้อม (ชั้นสีน้ำเงินและสีแดง) อิเล็กตรอนและเอกไซตอนในกราฟีนถูกยึดติดกันด้วยแรงคูลอมบ์
(ก) ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิของช่องว่างตัวนำยิ่งยวดในกระบวนการที่อาศัยโบโกลอนที่มีการแก้ไขอุณหภูมิ (เส้นประ) และไม่มีการแก้ไขอุณหภูมิ (เส้นทึบ) (ข) อุณหภูมิวิกฤตของการเปลี่ยนผ่านตัวนำยิ่งยวดเป็นฟังก์ชันของความหนาแน่นของคอนเดนเสทสำหรับอันตรกิริยาที่อาศัยโบโกลอนที่มีการแก้ไขอุณหภูมิ (เส้นประสีแดง) และไม่มีการแก้ไขอุณหภูมิ (เส้นทึบสีดำ) เส้นประสีน้ำเงินแสดงอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่าน BKT เป็นฟังก์ชันของความหนาแน่นของคอนเดนเสท
นอกจากสภาพนำยิ่งยวดแล้ว BEC ยังเป็นปรากฏการณ์อีกอย่างหนึ่งที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิต่ำ เป็นสถานะที่ห้าของสสารที่ไอน์สไตน์ทำนายไว้ครั้งแรกในปี ค.ศ. 1924 การก่อตัวของ BEC เกิดขึ้นเมื่ออะตอมพลังงานต่ำรวมตัวกันและเข้าสู่สถานะพลังงานเดียวกัน ซึ่งเป็นงานวิจัยเชิงลึกในฟิสิกส์สสารควบแน่น ระบบไฮบริดโบส-แฟร์มีโดยพื้นฐานแล้วแสดงถึงปฏิสัมพันธ์ระหว่างชั้นอิเล็กตรอนกับชั้นโบซอน เช่น เอกไซตอนทางอ้อม เอกไซตอน-โพลารอน และอื่นๆ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคโบสและแฟร์มีนำไปสู่ปรากฏการณ์แปลกใหม่และน่าสนใจมากมาย ซึ่งดึงดูดความสนใจของทั้งสองฝ่าย มุมมองพื้นฐานและเชิงประยุกต์
ในงานวิจัยนี้ นักวิจัยได้รายงานกลไกการนำยิ่งยวดแบบใหม่ในกราฟีน ซึ่งเกิดจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนกับ “โบโกลอน” มากกว่าโฟนอนในระบบ BCS ทั่วไป โบโกลอนหรือควาซิพาร์ทิเคิลโบโกลิอูบอฟ คือการกระตุ้นใน BEC ซึ่งมีคุณสมบัติเฉพาะของอนุภาค ภายในช่วงพารามิเตอร์ที่กำหนด กลไกนี้ทำให้อุณหภูมิวิกฤตของตัวนำยิ่งยวดในกราฟีนสูงถึง 70 เคลวิน นอกจากนี้ นักวิจัยยังได้พัฒนาทฤษฎี BCS ระดับจุลภาคใหม่ ซึ่งมุ่งเน้นไปที่ระบบที่ใช้กราฟีนไฮบริดแบบใหม่โดยเฉพาะ แบบจำลองที่พวกเขาเสนอยังคาดการณ์ว่าคุณสมบัติการนำยิ่งยวดสามารถเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ ส่งผลให้ช่องว่างตัวนำยิ่งยวดมีความสัมพันธ์แบบไม่เป็นเอกภาพกับอุณหภูมิ
นอกจากนี้ การศึกษายังแสดงให้เห็นว่าการกระจายตัวแบบดิแรกในกราฟีนยังคงรักษาไว้ในรูปแบบโบโกลอนนี้ ซึ่งบ่งชี้ว่ากลไกตัวนำยิ่งยวดนี้เกี่ยวข้องกับอิเล็กตรอนที่มีการกระจายตัวแบบสัมพัทธภาพ และปรากฏการณ์นี้ยังไม่ได้รับการศึกษาอย่างละเอียดในฟิสิกส์ของสสารควบแน่น
งานวิจัยนี้เผยให้เห็นอีกวิธีหนึ่งในการสร้างสภาพนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง ในขณะเดียวกัน ด้วยการควบคุมคุณสมบัติของคอนเดนเสท เราสามารถปรับสภาพนำยิ่งยวดของกราฟีนได้ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงอีกวิธีหนึ่งในการควบคุมอุปกรณ์นำยิ่งยวดในอนาคต
เวลาโพสต์: 16 ก.ค. 2564 
