الموصلية الفائقة ظاهرة فيزيائية تنخفض فيها المقاومة الكهربائية للمادة إلى الصفر عند درجة حرارة حرجة معينة. تُعد نظرية باردين-كوبر-شريفر (BCS) تفسيرًا فعالًا لهذه الظاهرة، إذ تصف الموصلية الفائقة في معظم المواد. وتشير هذه النظرية إلى أن أزواج إلكترونات كوبر تتشكل في الشبكة البلورية عند درجة حرارة منخفضة كافية، وأن الموصلية الفائقة وفقًا لنظرية BCS تنشأ من تكثف هذه الأزواج. على الرغم من أن الجرافين نفسه موصل كهربائي ممتاز، إلا أنه لا يُظهر الموصلية الفائقة وفقًا لنظرية BCS بسبب كبح تفاعل الإلكترون-الفونون. ولهذا السبب، فإن معظم الموصلات "الجيدة" (مثل الذهب والنحاس) هي 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. وقد حققوا هذا الإنجاز من خلال اقتراح نظام هجين يتكون من الجرافين ومكثف بوز-أينشتاين ثنائي الأبعاد (BEC). نُشر البحث في مجلة المواد ثنائية الأبعاد (2D Materials).
نظام هجين يتكون من غاز إلكتروني (الطبقة العلوية) في الجرافين، منفصل عن مكثف بوز-أينشتاين ثنائي الأبعاد، ممثلاً بالإكسيتونات غير المباشرة (الطبقتان الزرقاء والحمراء). ترتبط الإلكترونات والإكسيتونات في الجرافين بقوة كولوم.
(أ) اعتماد فجوة الموصلية الفائقة على درجة الحرارة في العملية التي تتوسطها البوغولون مع تصحيح درجة الحرارة (خط متقطع) وبدون تصحيح درجة الحرارة (خط متصل). (ب) درجة الحرارة الحرجة للانتقال إلى حالة الموصلية الفائقة كدالة لكثافة المكثف للتفاعلات التي تتوسطها البوغولون مع (خط متقطع أحمر) وبدون (خط متصل أسود) تصحيح درجة الحرارة. يوضح الخط الأزرق المنقط درجة حرارة انتقال BKT كدالة لكثافة المكثف.
بالإضافة إلى الموصلية الفائقة، يُعدّ تكثيف بوز-أينشتاين ظاهرة أخرى تحدث عند درجات حرارة منخفضة. وهو الحالة الخامسة للمادة التي تنبأ بها أينشتاين لأول مرة عام 1924. يتشكل تكثيف بوز-أينشتاين عندما تتجمع ذرات منخفضة الطاقة وتدخل في نفس مستوى الطاقة، وهو مجال بحثي واسع النطاق في فيزياء المادة المكثفة. يُمثل نظام بوز-أيرمي الهجين تفاعل طبقة من الإلكترونات مع طبقة من البوزونات، مثل الإكسيتونات غير المباشرة، والإكسيتون-بولارونات، وما إلى ذلك. وقد أدى التفاعل بين جسيمات بوز وفيرمي إلى ظهور مجموعة متنوعة من الظواهر الجديدة والمثيرة للاهتمام، مما أثار اهتمام كلا الطرفين. (من منظور أساسي وتطبيقي).
في هذا العمل، أبلغ الباحثون عن آلية جديدة للتوصيل الفائق في الجرافين، تعود إلى التفاعل بين الإلكترونات و"البوجولونات" بدلاً من الفونونات في نظام BCS التقليدي. البوجولونات، أو شبه جسيمات بوغوليوبوف، هي إثارات في مكثفات بوز-أينشتاين، وتتميز بخصائص جسيمية معينة. ضمن نطاقات محددة من المعاملات، تسمح هذه الآلية بوصول درجة الحرارة الحرجة للتوصيل الفائق في الجرافين إلى 70 كلفن. كما طور الباحثون نظرية BCS مجهرية جديدة تركز تحديدًا على الأنظمة القائمة على الجرافين الهجين الجديد. ويتوقع النموذج الذي اقترحوه أيضًا أن خصائص التوصيل الفائق يمكن أن تزداد مع درجة الحرارة، مما ينتج عنه اعتماد غير منتظم لفجوة التوصيل الفائق على درجة الحرارة.
بالإضافة إلى ذلك، أظهرت الدراسات أن تشتت ديراك للجرافين يبقى محفوظًا في هذا المخطط الذي يتوسطه البوجولون. يشير هذا إلى أن آلية التوصيل الفائق هذه تتضمن إلكترونات ذات تشتت نسبي، وهذه الظاهرة لم تُدرس بشكل كافٍ في فيزياء المادة المكثفة.
يكشف هذا العمل عن طريقة أخرى لتحقيق الموصلية الفائقة عند درجات حرارة عالية. وفي الوقت نفسه، يمكننا، من خلال التحكم في خصائص المكثف، ضبط الموصلية الفائقة للجرافين. وهذا يُشير إلى طريقة أخرى للتحكم في الأجهزة فائقة التوصيل في المستقبل.
تاريخ النشر: 16 يوليو 2021 
