الموصلية الفائقة ظاهرة فيزيائية تنخفض فيها المقاومة الكهربائية للمادة إلى الصفر عند درجة حرارة حرجة معينة. تُعد نظرية باردين-كوبر-شريفر (BCS) تفسيرًا فعالًا، إذ تصف الموصلية الفائقة في معظم المواد. تشير هذه النظرية إلى أن أزواج إلكترونات كوبر تتشكل في الشبكة البلورية عند درجة حرارة منخفضة بما يكفي، وأن الموصلية الفائقة وفقًا لنظرية باردين-كوبر-شريفر تنبع من تكثفها. على الرغم من أن الجرافين نفسه موصل كهربائي ممتاز، إلا أنه لا يُظهر موصلية فائقة وفقًا لنظرية باردين-كوبر-شريفر نظرًا لقمع تفاعل الإلكترونات والفونونات. ولهذا السبب، تُعتبر معظم الموصلات "الجيدة" (مثل الذهب والنحاس) موصلات فائقة "رديئة".
أعلن باحثون في مركز الفيزياء النظرية للأنظمة المعقدة (PCS) التابع لمعهد العلوم الأساسية (IBS، كوريا الجنوبية) عن آلية بديلة جديدة لتحقيق الموصلية الفائقة في الجرافين. وحققوا هذا الإنجاز باقتراح نظام هجين يتكون من الجرافين ومكثف بوز-أينشتاين ثنائي الأبعاد (BEC). ونُشر البحث في مجلة 2D Materials.
نظام هجين يتكون من غاز الإلكترونات (الطبقة العليا) في الجرافين، منفصل عن مُكثِّف بوز-أينشتاين ثنائي الأبعاد، مُمَثَّل بإكسيتونات غير مباشرة (طبقتان زرقاء وحمراء). ترتبط الإلكترونات والإكسيتونات في الجرافين بقوة كولومب.
(أ) اعتماد فجوة التوصيل الفائق على درجة الحرارة في العملية التي تتم بوساطة البوغولون مع تصحيح درجة الحرارة (خط متقطع) وبدون تصحيح درجة الحرارة (خط متصل). (ب) درجة الحرارة الحرجة للانتقال الفائق التوصيل كدالة لكثافة المكثفات للتفاعلات التي تتم بوساطة البوغولون مع تصحيح درجة الحرارة (خط متقطع أحمر) وبدون تصحيح درجة الحرارة (خط متصل أسود). يُظهر الخط الأزرق المنقط درجة حرارة انتقال BKT كدالة لكثافة المكثفات.
بالإضافة إلى الموصلية الفائقة، تُعد تكاثف بوز-أينشتاين ظاهرة أخرى تحدث عند درجات حرارة منخفضة. وهي الحالة الخامسة للمادة التي تنبأ بها أينشتاين لأول مرة عام ١٩٢٤. يحدث تكوين تكاثف بوز-أينشتاين عندما تتجمع ذرات منخفضة الطاقة معًا وتدخل في نفس حالة الطاقة، وهو مجال بحثي واسع في فيزياء المادة المكثفة. يمثل نظام بوز-فيرمي الهجين تفاعل طبقة من الإلكترونات مع طبقة من البوزونات، مثل الإكسيتونات غير المباشرة، والإكسيتونات-البولارونات، وغيرها. أدى التفاعل بين جسيمات بوز وفيرمي إلى ظهور مجموعة متنوعة من الظواهر الجديدة والمثيرة للاهتمام، والتي أثارت اهتمام كلا الطرفين. نظرة أساسية وتطبيقية.
في هذا العمل، أفاد الباحثون بآلية توصيل فائقة جديدة في الجرافين، تنجم عن التفاعل بين الإلكترونات و"البوجولونات" بدلاً من الفونونات في نظام BCS النموذجي. البوجولونات، أو أشباه جسيمات بوغوليوبوف، هي إثارات في تكاثف بوز-أينشتاين، وتتميز بخصائص معينة للجسيمات. ضمن نطاقات محددة من المعلمات، تسمح هذه الآلية لدرجة الحرارة الحرجة فائقة التوصيل في الجرافين بالوصول إلى 70 كلفن. كما طور الباحثون نظرية مجهرية جديدة لـ BCS تركز بشكل خاص على الأنظمة القائمة على الجرافين الهجين الجديد. ويتوقع النموذج الذي اقترحوه أيضًا أن خصائص التوصيل الفائقة يمكن أن تزداد مع درجة الحرارة، مما يؤدي إلى اعتماد غير رتيب لفجوة التوصيل الفائقة على درجة الحرارة.
بالإضافة إلى ذلك، أظهرت الدراسات أن تشتت ديراك للجرافين محفوظ في هذا النظام الذي يعتمد على البوجولون. وهذا يشير إلى أن آلية التوصيل الفائق هذه تتضمن إلكترونات ذات تشتت نسبي، وهي ظاهرة لم تُستكشف جيدًا في فيزياء المادة المكثفة.
يكشف هذا العمل عن طريقة أخرى لتحقيق الموصلية الفائقة عند درجات حرارة عالية. وفي الوقت نفسه، من خلال التحكم في خصائص المكثف، يُمكننا ضبط الموصلية الفائقة للجرافين. وهذا يُظهر طريقة أخرى للتحكم في أجهزة الموصلية الفائقة في المستقبل.
وقت النشر: ١٦ يوليو ٢٠٢١ 
