สภาพนำยิ่งยวดเป็นปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่ความต้านทานไฟฟ้าของวัสดุลดลงเหลือศูนย์ที่อุณหภูมิวิกฤตค่าหนึ่ง ทฤษฎีบาร์ดีน-คูเปอร์-ชรีฟเฟอร์ (BCS) เป็นคำอธิบายที่มีประสิทธิภาพซึ่งอธิบายถึงสภาพนำยิ่งยวดในวัสดุส่วนใหญ่ ทฤษฎีนี้ชี้ให้เห็นว่าคู่ของอิเล็กตรอนคูเปอร์ก่อตัวขึ้นในโครงผลึกที่อุณหภูมิต่ำเพียงพอ และสภาพนำยิ่งยวดแบบ BCS มาจากการควบแน่นของคู่ของอิเล็กตรอนคูเปอร์เหล่านั้น แม้ว่ากราฟีนเองจะเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม แต่ก็ไม่แสดงสภาพนำยิ่งยวดแบบ BCS เนื่องจากการยับยั้งปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนและโฟนอน นี่คือเหตุผลว่าทำไมตัวนำ "ที่ดี" ส่วนใหญ่ (เช่น ทองคำและทองแดง) จึงเป็นตัวนำยิ่งยวด "ที่ไม่ดี"
นักวิจัยจากศูนย์ฟิสิกส์เชิงทฤษฎีของระบบที่ซับซ้อน (PCS) สถาบันวิทยาศาสตร์พื้นฐาน (IBS ประเทศเกาหลีใต้) รายงานกลไกทางเลือกใหม่ในการทำให้เกิดสภาพนำยิ่งยวดในกราฟีน พวกเขาประสบความสำเร็จในเรื่องนี้โดยการเสนอระบบไฮบริดที่ประกอบด้วยกราฟีนและสารควบแน่นโบส-ไอน์สไตน์สองมิติ (BEC) งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร 2D Materials
ระบบไฮบริดที่ประกอบด้วยก๊าซอิเล็กตรอน (ชั้นบนสุด) ในกราฟีน ซึ่งแยกออกจากคอนเดนเซตโบส-ไอน์สไตน์สองมิติ ซึ่งแสดงโดยเอ็กซิตอนทางอ้อม (ชั้นสีน้ำเงินและสีแดง) อิเล็กตรอนและเอ็กซิตอนในกราฟีนเชื่อมต่อกันด้วยแรงคูลอมบ์
(a) ความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิกับช่องว่างสภาพนำยิ่งยวดในกระบวนการที่มีโบโกโลนเป็นตัวกลาง โดยมีการปรับแก้ค่าอุณหภูมิ (เส้นประ) และไม่มีการปรับแก้ค่าอุณหภูมิ (เส้นทึบ) (b) อุณหภูมิวิกฤตของการเปลี่ยนสถานะเป็นสภาพนำยิ่งยวดเป็นฟังก์ชันของความหนาแน่นของคอนเดนเซตสำหรับปฏิสัมพันธ์ที่มีโบโกโลนเป็นตัวกลาง โดยมีการปรับแก้ค่าอุณหภูมิ (เส้นประสีแดง) และไม่มีการปรับแก้ค่าอุณหภูมิ (เส้นทึบสีดำ) เส้นประสีน้ำเงินแสดงอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะ BKT เป็นฟังก์ชันของความหนาแน่นของคอนเดนเซต
นอกจากสภาพนำยิ่งยวดแล้ว BEC (Boss-Effect) เป็นอีกปรากฏการณ์หนึ่งที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิต่ำ เป็นสถานะที่ห้าของสสารซึ่งไอน์สไตน์ทำนายไว้เป็นครั้งแรกในปี 1924 การก่อตัวของ BEC เกิดขึ้นเมื่ออะตอมพลังงานต่ำรวมตัวกันและเข้าสู่สถานะพลังงานเดียวกัน ซึ่งเป็นสาขาการวิจัยที่กว้างขวางในฟิสิกส์สสารควบแน่น ระบบไฮบริดโบส-เฟอร์มิโดยพื้นฐานแล้วแสดงถึงปฏิสัมพันธ์ของชั้นอิเล็กตรอนกับชั้นโบซอน เช่น เอ็กซิตอนทางอ้อม เอ็กซิตอน-โพลารอน เป็นต้น ปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคโบสและเฟอร์มิได้นำไปสู่ปรากฏการณ์แปลกใหม่และน่าสนใจมากมาย ซึ่งกระตุ้นความสนใจของทั้งสองฝ่าย ทั้งในด้านพื้นฐานและด้านการประยุกต์ใช้
ในงานวิจัยนี้ นักวิจัยได้รายงานกลไกการนำยิ่งยวดแบบใหม่ในกราฟีน ซึ่งเกิดจากการปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนและ "โบโกลอน" แทนที่จะเป็นโฟนอนในระบบ BCS ทั่วไป โบโกลอนหรืออนุภาคกึ่งโบโกลิอูบอฟเป็นการกระตุ้นใน BEC ซึ่งมีลักษณะเฉพาะของอนุภาค ภายใต้ช่วงพารามิเตอร์ที่กำหนด กลไกนี้ช่วยให้อุณหภูมิวิกฤตของการนำยิ่งยวดในกราฟีนสูงถึง 70 เคลวิน นักวิจัยยังได้พัฒนาทฤษฎี BCS ระดับจุลภาคแบบใหม่ที่เน้นเฉพาะระบบที่ใช้กราฟีนไฮบริดแบบใหม่ แบบจำลองที่พวกเขานำเสนอยังทำนายว่าคุณสมบัติการนำยิ่งยวดสามารถเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ ส่งผลให้ช่องว่างการนำยิ่งยวดมีความสัมพันธ์กับอุณหภูมิแบบไม่เป็นไปในทิศทางเดียว
นอกจากนี้ การศึกษาต่างๆ ยังแสดงให้เห็นว่าการกระจายตัวแบบ Dirac ของกราฟีนยังคงได้รับการรักษาไว้ในกลไกที่ใช้โบโกโลนเป็นตัวกลางนี้ ซึ่งบ่งชี้ว่ากลไกการนำยิ่งยวดนี้เกี่ยวข้องกับอิเล็กตรอนที่มีการกระจายตัวแบบสัมพัทธภาพ และปรากฏการณ์นี้ยังไม่ได้รับการสำรวจอย่างละเอียดในฟิสิกส์สสารควบแน่น
งานวิจัยนี้เผยให้เห็นอีกวิธีหนึ่งในการบรรลุสภาพนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิสูง ในขณะเดียวกัน การควบคุมคุณสมบัติของสารควบแน่นยังช่วยให้เราสามารถปรับสภาพนำยิ่งยวดของกราฟีนได้ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงอีกแนวทางหนึ่งในการควบคุมอุปกรณ์นำยิ่งยวดในอนาคต
วันที่โพสต์: 16 กรกฎาคม 2564 
