מוליכות-על היא תופעה פיזיקלית שבה ההתנגדות החשמלית של חומר יורדת לאפס בטמפרטורה קריטית מסוימת. תיאוריית ברדין-קופר-שריפר (BCS) היא הסבר יעיל, המתארת את מוליכות-העל ברוב החומרים. היא מצביעה על כך שזוגות אלקטרונים של קופר נוצרים בסריג הגביש בטמפרטורה נמוכה מספיק, וכי מוליכות-העל של BCS נובעת מעיבוי שלהם. למרות שגרפן עצמו הוא מוליך חשמלי מצוין, הוא אינו מפגין מוליכות-על של BCS עקב דיכוי האינטראקציה בין אלקטרון לפונונים. זו הסיבה שרוב המוליכים ה"טובים" (כגון זהב ונחושת) הם מוליכי-על "רעים".
חוקרים במרכז לפיזיקה תיאורטית של מערכות מורכבות (PCS) במכון למדעים בסיסיים (IBS, דרום קוריאה) דיווחו על מנגנון חלופי חדש להשגת מוליכות-על בגרפן. הם השיגו הישג זה על ידי הצעת מערכת היברידית המורכבת מגרפן ומעובה דו-ממדי של בוז-איינשטיין (BEC). המחקר פורסם בכתב העת 2D Materials.
מערכת היברידית המורכבת מגז אלקטרונים (שכבה עליונה) בגרפן, המופרד מעיבוי בוז-איינשטיין דו-ממדי, המיוצג על ידי אקסיטונים עקיפים (שכבות כחולות ואדומות). האלקטרונים והאקסיטונים בגרפן מצומדים באמצעות כוח קולומב.
(א) תלות הטמפרטורה של פער המוליך-על בתהליך בתיווך בוגולון עם תיקון טמפרטורה (קו מקווקו) וללא תיקון טמפרטורה (קו רציף). (ב) הטמפרטורה הקריטית של מעבר מוליך-על כפונקציה של צפיפות מעובה עבור אינטראקציות בתיווך בוגולון עם (קו מקווקו אדום) וללא (קו שחור רציף) תיקון טמפרטורה. הקו המקווקו הכחול מציג את טמפרטורת המעבר BKT כפונקציה של צפיפות המעובה.
בנוסף למוליכות-על, BEC היא תופעה נוספת המתרחשת בטמפרטורות נמוכות. זהו המצב החמישי של החומר שחזה לראשונה איינשטיין בשנת 1924. היווצרות BEC מתרחשת כאשר אטומים בעלי אנרגיה נמוכה מתאספים יחד ונכנסים לאותו מצב אנרגיה, שהוא תחום מחקר נרחב בפיזיקה של חומר מעובה. מערכת בוז-פרמי ההיברידית מייצגת למעשה את האינטראקציה של שכבת אלקטרונים עם שכבת בוזונים, כגון אקסיטונים עקיפים, אקסיטון-פולארונים וכן הלאה. האינטראקציה בין חלקיקי בוז ופרמי הובילה למגוון תופעות חדשות ומרתקות, שעוררו את עניין שני הצדדים. נקודת מבט בסיסית ויישומית.
בעבודה זו, החוקרים דיווחו על מנגנון מוליך-על חדש בגרפן, הנובע מאינטראקציה בין אלקטרונים ל"בוגולונים" ולא מהפונונים במערכת BCS טיפוסית. בוגולונים או קוואזי-חלקיקים בוגוליובוב הם עירורים ב-BEC, בעלי מאפיינים מסוימים של חלקיקים. בטווחי פרמטרים מסוימים, מנגנון זה מאפשר לטמפרטורה הקריטית של מוליך-על בגרפן להגיע עד 70 קלווין. החוקרים פיתחו גם תיאוריית BCS מיקרוסקופית חדשה המתמקדת ספציפית במערכות המבוססות על גרפן היברידי חדש. המודל שהציעו מנבא גם שתכונות המוליכות-על יכולות לעלות עם הטמפרטורה, וכתוצאה מכך לתלות טמפרטורה לא מונוטונית של פער המוליך-על.
בנוסף, מחקרים הראו כי פיזור דיראק של גרפן נשמר בסכימה זו בתיווך בוגולון. ממצא זה מצביע על כך שמנגנון מוליך-על זה כולל אלקטרונים בעלי פיזור רלטיביסטי, ותופעה זו לא נחקרה היטב בפיזיקה של חומר מעובה.
עבודה זו חושפת דרך נוספת להשגת מוליכות-על בטמפרטורה גבוהה. במקביל, על ידי שליטה בתכונות המעובה, נוכל להתאים את מוליכות-העל של גרפן. זה מראה דרך נוספת לשלוט בהתקנים מוליכי-על בעתיד.
זמן פרסום: 16 ביולי 2021 
