para Coopera

W fizyce materii skondensowanej para Coopera lub para BCS ( para Bardeena – Coopera – Schrieffera ) to para elektronów (lub innych fermionów ) związanych ze sobą w niskich temperaturach w pewien sposób opisany po raz pierwszy w 1956 roku przez amerykańskiego fizyka Leona Coopera .

para Coopera

Cooper wykazał, że dowolnie małe przyciąganie między elektronami w metalu może spowodować, że sparowany stan elektronów będzie miał energię niższą niż energia Fermiego , co oznacza, że para jest związana. W konwencjonalnych nadprzewodnikach przyciąganie to jest spowodowane oddziaływaniem elektron - fonon . Stan pary Coopera jest odpowiedzialny za nadprzewodnictwo, jak opisano w teorii BCS opracowanej przez Johna Bardeena , Leona Coopera i Johna Schrieffera, za którą otrzymali w 1972 roku Nagrodę Nobla .

Chociaż parowanie Coopera jest efektem kwantowym, przyczynę parowania można dostrzec na podstawie uproszczonego klasycznego wyjaśnienia. Elektron w metalu normalnie zachowuje się jak swobodna cząsteczka . Elektron jest odpychany od innych elektronów z powodu ich ładunku ujemnego , ale przyciąga również jony dodatnie , które tworzą sztywną siatkę metalu. To przyciąganie zniekształca sieć jonową, przesuwając jony nieznacznie w kierunku elektronu, zwiększając gęstość ładunku dodatniego sieci w pobliżu. Ten ładunek dodatni może przyciągać inne elektrony. Na dużych odległościach to przyciąganie między elektronami spowodowane przemieszczaniem jonów może przezwyciężyć odpychanie elektronów z powodu ich ładunku ujemnego i spowodować ich sparowanie. Rygorystyczne wyjaśnienie mechaniki kwantowej pokazuje, że efekt jest spowodowany elektron – fonon , przy czym fonon jest zbiorowym ruchem dodatnio naładowanej sieci.

Energia oddziaływania parowania jest dość słaba, rzędu 10-3 ^eV , a energia cieplna może z łatwością rozerwać pary. Tak więc tylko w niskich temperaturach, w metalu i innych podłożach, znacząca liczba elektronów wiąże się w pary Coopera.

Elektrony w parze niekoniecznie są blisko siebie; ponieważ oddziaływanie ma duży zasięg, sparowane elektrony mogą nadal znajdować się w odległości wielu setek nanometrów . Odległość ta jest zwykle większa niż średnia odległość międzyelektronowa, tak że wiele par Coopera może zajmować tę samą przestrzeń. Elektrony mają spin 1/2 to bozon , więc są fermionami , ale całkowity spin pary Coopera jest liczbą całkowitą (0 lub 1), więc jest złożony . Oznacza to, że funkcje falowe są symetryczne przy wymianie cząstek. Dlatego, w przeciwieństwie do elektronów, wiele par Coopera może znajdować się w tym samym stanie kwantowym, który jest odpowiedzialny za zjawisko nadprzewodnictwa.

Teoria BCS ma również zastosowanie do innych układów fermionowych, takich jak hel-3 . ^{[ potrzebne źródło ]} Rzeczywiście, parowanie Coopera jest odpowiedzialne za nadciekłość helu-3 w niskich temperaturach. ^{[ potrzebne źródło ]} W 2008 roku zaproponowano, że pary bozonów w sieci optycznej mogą być podobne do par Coopera.

Związek z nadprzewodnictwem

Tendencja wszystkich par Coopera w ciele do „ kondensacji ” w tym samym podstawowym stanie kwantowym jest odpowiedzialna za szczególne właściwości nadprzewodnictwa.

Cooper początkowo rozważał tylko przypadek formowania się izolowanej pary w metalu. Kiedy weźmie się pod uwagę bardziej realistyczny stan wielu formacji par elektronowych, jak wyjaśniono w pełnej teorii BCS, okaże się, że parowanie otwiera lukę w ciągłym widmie dozwolonych stanów energetycznych elektronów, co oznacza, że wszystkie wzbudzenia układu muszą posiadać pewną minimalną ilość energii. Ta przerwa w wzbudzeniach prowadzi do nadprzewodnictwa, ponieważ małe wzbudzenia, takie jak rozpraszanie elektronów, są zabronione. Luka pojawia się z powodu efektów wielociałowych między elektronami odczuwającymi przyciąganie.

RA Ogg Jr. jako pierwszy zasugerował, że elektrony mogą działać jako pary sprzężone przez wibracje sieci w materiale. Wskazywał na to izotopowy obserwowany w nadprzewodnikach. Efekt izotopowy wykazał, że materiały zawierające cięższe jony (różne izotopy jądrowe ) mają niższe temperatury przemiany nadprzewodzącej. Można to wytłumaczyć teorią parowania Coopera: cięższe jony są trudniejsze do przyciągania i poruszania się elektronów (jak powstają pary Coopera), co skutkuje mniejszą energią wiązania par.

Teoria par Coopera jest dość ogólna i nie zależy od konkretnego oddziaływania elektron-fonon. Teoretycy materii skondensowanej zaproponowali mechanizmy parowania oparte na innych atrakcyjnych interakcjach, takich jak interakcje elektron- ekscyton lub interakcje elektron- plazmon . Obecnie w żadnym materiale nie zaobserwowano żadnej z tych innych interakcji parowania.

Eksperyment mający na celu utworzenie pary Coopera z pozytonów wniósłby wielki wkład w zrozumienie powstawania pary elektronów. ^{[ potrzebne źródło ]}

Należy wspomnieć, że parowanie Coopera nie obejmuje parowania pojedynczych elektronów w celu utworzenia „quasi-bozonów”. Stany sparowane są energetycznie uprzywilejowane, a elektrony preferencyjnie wchodzą i wychodzą z tych stanów. Jest to subtelne rozróżnienie dokonane przez Johna Bardeena:

„Pomysł sparowanych elektronów, choć nie w pełni dokładny, oddaje jego sens”.

Matematyczny opis występującej tutaj spójności drugiego rzędu podaje Yang.

Zobacz też

Dalsza lektura

Michael Tinkham , Wprowadzenie do nadprzewodnictwa , ISBN 0-486-43503-2
Schmidt, Wadim Wasiljewicz. Fizyka nadprzewodników: wprowadzenie do podstaw i zastosowań. Springer Science & Business Media, 2013.