Para miedziana - Cooper pair

W fizyce skondensowanej , A para Cooper lub BCS pary ( Bardeen-Coopera Schrieffera para ) jest parą elektronów (lub innych fermionami ), połączonych ze sobą w niskich temperaturach, w określony sposób pierwszy opisano w 1956 American fizyka Leon Coopera .

Para miedziana

Cooper wykazał, że arbitralnie małe przyciąganie między elektronami w metalu może spowodować, że stan sparowanych elektronów będzie miał niższą energię niż energia Fermiego , co oznacza, że ​​para jest związana. W konwencjonalnych nadprzewodnikach przyciąganie to wynika z oddziaływania 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 wspólnie Nagrodę Nobla z 1972 roku .

Chociaż parowanie Coopera jest efektem kwantowym, przyczynę parowania można dostrzec w uproszczonym klasycznym wyjaśnieniu. Elektron w metalu normalnie zachowuje się jak wolna cząstka . Elektron jest odpychany od innych elektronów ze względu na ich ładunek ujemny , ale przyciąga również jony dodatnie , które tworzą sztywną sieć metalu. To przyciąganie zniekształca sieć jonową, przesuwając jony nieznacznie w kierunku elektronu, zwiększając gęstość ładunku dodatniego sieci w sąsiedztwie. Ten dodatni ładunek może przyciągać inne elektrony. Na dużych odległościach to przyciąganie między elektronami z powodu przemieszczonych jonów może przezwyciężyć odpychanie elektronów z powodu ich ujemnego ładunku i spowodować ich parowanie. Rygorystyczne wyjaśnienie mechaniki kwantowej pokazuje, że efekt jest spowodowany oddziaływaniem elektronfonon , przy czym fonon jest zbiorowym ruchem dodatnio naładowanej sieci.

Energia oddziaływania par jest dość słaba, rzędu 10-3  eV , a energia cieplna może łatwo rozbić pary. Tak więc tylko w niskich temperaturach, w metalu i innych podłożach, znaczna liczba elektronów jest związana w parach Coopera.

Elektrony w parze niekoniecznie są blisko siebie; ponieważ oddziaływanie ma duży zasięg, sparowane elektrony mogą nadal znajdować się w odległości kilkuset nanometrów . Odległość ta jest zwykle większa niż średnia odległość międzyelektronowa, tak że wiele par Coopera może zajmować tę samą przestrzeń. Elektrony mają Podziału 1 / 2 , więc są fermionami , ale całkowity wirowania pary Cooper całkowita (0 lub 1), to jest kompozyt boson . Oznacza to, że funkcje falowe są symetryczne pod wpływem wymiany cząstek. Dlatego, w przeciwieństwie do elektronów, wiele par Coopera może znajdować się w tym samym stanie kwantowym, który odpowiada za zjawisko nadprzewodnictwa.

Teoria BCS ma również zastosowanie do innych systemów fermionowych, takich jak hel-3 . Rzeczywiście, parowanie Coopera jest odpowiedzialne za nadciekłość helu-3 w niskich temperaturach. Niedawno wykazano również, że para Coopera może zawierać dwa bozony. Tutaj parowanie jest wspierane przez splątanie w siatce optycznej.

Związek z nadprzewodnictwem

Tendencja wszystkich par Coopera w ciele do „ kondensacji ” do tego samego podstawowego stanu kwantowego jest odpowiedzialna za szczególne właściwości nadprzewodnictwa.

Cooper początkowo rozważał tylko przypadek powstania odosobnionej pary w metalu. Gdy rozważy się 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 między wzbudzeniami 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 połączone drganiami sieci w materiale. Wskazywał na to efekt izotopowy obserwowany w nadprzewodnikach. Efekt izotopowy pokazał, że materiały z cięższymi jonami (różne izotopy jądrowe ) miały niższe temperatury przejścia nadprzewodzącego. Można to wyjaśnić teorią parowania Coopera: cięższe jony są trudniejsze do przyciągania i poruszania się elektronów (jak powstają pary Coopera), co skutkuje mniejszą energią wiązania dla 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 oddziaływaniach, takich jak oddziaływania elektron- ekscyton lub oddziaływania elektron- plazmon . Obecnie w żadnym materiale nie zaobserwowano żadnej z tych innych interakcji parowania.

Eksperyment polegający na stworzeniu pary Coopera z pozytonów wniósłby wielki wkład w zrozumienie powstawania pary elektronów.

Należy wspomnieć, że parowanie Coopera nie obejmuje parowania pojedynczych elektronów w „quasi-bozony”. Stany sparowane są energetycznie faworyzowane, a elektrony preferencyjnie wchodzą i wychodzą z tych stanów. To dobre rozróżnienie, które John Bardeen czyni:

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

Matematyczny opis tej koherencji drugiego rzędu podaje Yang.

Zobacz też

Bibliografia

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.