La supraconductivité est un phénomène physique où la résistance électrique d'un matériau s'annule à une certaine température critique. La théorie de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) explique efficacement la supraconductivité dans la plupart des matériaux. Elle postule que des paires d'électrons de Cooper se forment dans le réseau cristallin à une température suffisamment basse et que la supraconductivité BCS résulte de leur condensation. Bien que le graphène soit un excellent conducteur électrique, il ne présente pas de supraconductivité BCS en raison de la suppression de l'interaction électron-phonon. C'est pourquoi la plupart des « bons » conducteurs (comme l'or et le cuivre) sont de « mauvais » supraconducteurs.
Des chercheurs du Centre de physique théorique des systèmes complexes (PCS) de l'Institut des sciences fondamentales (IBS, Corée du Sud) ont présenté un nouveau mécanisme alternatif pour obtenir la supraconductivité dans le graphène. Ils ont réalisé cette prouesse en proposant un système hybride composé de graphène et d'un condensat de Bose-Einstein bidimensionnel (BEC). Leurs travaux ont été publiés dans la revue 2D Materials.
Un système hybride composé d'un gaz d'électrons (couche supérieure) dans du graphène, séparé d'un condensat de Bose-Einstein bidimensionnel, représenté par des excitons indirects (couches bleue et rouge). Les électrons et les excitons dans le graphène sont couplés par la force de Coulomb.
(a) Évolution de la bande interdite supraconductrice en fonction de la température dans le processus induit par le bogolon, avec (ligne pointillée) et sans (ligne continue) correction de température. (b) Température critique de la transition supraconductrice en fonction de la densité du condensat pour les interactions induites par le bogolon, avec (ligne pointillée rouge) et sans (ligne continue noire) correction de température. La ligne pointillée bleue représente la température de transition BKT en fonction de la densité du condensat.
Outre la supraconductivité, la condensation de Bose-Einstein (BEC) est un autre phénomène se produisant à basse température. Il s'agit du cinquième état de la matière, prédit pour la première fois par Einstein en 1924. La formation d'une BEC survient lorsque des atomes de basse énergie se regroupent et atteignent le même niveau d'énergie, un domaine de recherche très actif en physique de la matière condensée. Le système hybride Bose-Fermi représente essentiellement l'interaction d'une couche d'électrons avec une couche de bosons, tels que les excitons indirects, les exciton-polarons, etc. L'interaction entre les particules de Bose et de Fermi a donné lieu à une variété de phénomènes nouveaux et fascinants, suscitant l'intérêt des chercheurs, tant sur le plan fondamental que sur celui des applications.
Dans cette étude, les chercheurs ont mis en évidence un nouveau mécanisme de supraconductivité dans le graphène, dû à l'interaction entre les électrons et les « bogolons », et non avec les phonons dans un système BCS classique. Les bogolons, ou quasi-particules de Bogoliubov, sont des excitations dans les condensats de Bose-Einstein (BEC) et présentent certaines caractéristiques particulaires. Dans certaines plages de paramètres, ce mécanisme permet à la température critique de supraconductivité du graphène d'atteindre 70 kelvins. Les chercheurs ont également développé une nouvelle théorie BCS microscopique, spécifiquement axée sur les systèmes à base de graphène hybride. Le modèle proposé prédit également que les propriétés supraconductrices peuvent augmenter avec la température, induisant une dépendance non monotone de la bande interdite supraconductrice à la température.
De plus, des études ont montré que la dispersion de Dirac du graphène est préservée dans ce schéma faisant intervenir le bogolon. Ceci indique que ce mécanisme supraconducteur implique des électrons à dispersion relativiste, un phénomène encore peu exploré en physique de la matière condensée.
Ces travaux révèlent une nouvelle voie pour obtenir la supraconductivité à haute température. Parallèlement, en contrôlant les propriétés du condensat, il est possible d'ajuster la supraconductivité du graphène. Ceci ouvre de nouvelles perspectives pour le contrôle des dispositifs supraconducteurs.
Date de publication : 16 juillet 2021 
