Language
Country/Area
No result found
أزواج كوبر والسيولة الفائقة: السحر الكمومي وراء ظاهرة الميوعة الفائقة للهيليوم-3!
في الموصلات الفائقة التقليدية، تنشأ هذه القوة الجاذبة في المقام الأول من تفاعلات الإلكترون والفونون.
تعتبر أزواج كوبر حجر الأساس في نظرية الموصلية الفائقة، وهي النظرية التي طورها جون باردين وليون كوبر وجون شريفر، والتي تقاسموا من خلالها جائزة نوبل في عام 1972. على الرغم من أن اقتران كوبر هو تأثير كمي، إلا أنه من الممكن فهم سبب الاقتران باستخدام تفسير كلاسيكي مبسط.
في المعادن، تتحرك الإلكترونات عادةً كجسيمات حرة. تتنافر الشحنات السالبة للإلكترونات مع بعضها البعض، ولكنها في نفس الوقت تجذب أيضًا الكاتيونات التي تشكل الشبكة المعدنية. يؤدي هذا الجذب إلى تشوه شبكة الكاتيون، مما يحرك الكاتيونات قليلاً بالقرب من الإلكترونات وبالتالي زيادة كثافة الشحنة الموجبة القريبة. يمكن لهذه الشحنة الإيجابية أن تجذب الإلكترونات الأخرى. على مسافات طويلة، تتغلب قوة الجذب هذه الناتجة عن الكاتيونات النازحة على قوى التنافر بين الإلكترونات، مما يتسبب في اقترانها.
إن طاقة التفاعل المزدوج ضعيفة جدًا، في حدود 10-3 إلكترون فولت، لذا فإن الطاقة الحرارية قادرة على تدمير هذه الأزواج بسهولة.
وبالتالي، فقط عند درجات الحرارة المنخفضة، وفي المعادن والمصفوفات الأخرى، توجد الإلكترونات بأعداد كبيرة على شكل أزواج كوبر. من المهم ملاحظة أن الإلكترونات المقترنة لا يجب أن تكون قريبة جدًا من بعضها البعض. نظرًا لأن التفاعل طويل المدى، فلا يزال من الممكن أن تكون المسافة بين الإلكترونات المقترنة مئات النانومتر، وهو ما يكون عادةً أكبر من المسافة المتوسطة بين الإلكترونات، وبالتالي يمكن للعديد من أزواج كوبر أن تشغل نفس المساحة.
الإلكترونات لها دوران 1/2، لذا فهي فرميونات، ولكن أزواج كوبر لها دوران كلي يساوي عددًا صحيحًا (0 أو 1)، لذا فهي بوزونات مركبة. وهذا يعني أنه في ظل تبادل الجسيمات، تكون الدالة الموجية لزوج كوبر متماثلة. لذلك، وعلى عكس الإلكترونات، يمكن لأزواج كوبر المتعددة أن تتعايش في نفس الحالة الكمومية، وهو السبب الأساسي لظاهرة الموصلية الفائقة.
تنطبق نظرية BCS أيضًا على أنظمة الفرميون الأخرى، مثل الهيليوم-3. في الواقع، فإن اقتران كوبر هو ما يجعل الهيليوم-3 سائلاً فائقًا في درجات الحرارة المنخفضة. مع تقدم العلم، اقترح العديد من علماء الفيزياء أيضًا أن الأزواج البوزونية في الشبكات البصرية قد تكون مشابهة لأزواج كوبر.العلاقة بين أزواج كوبر والموصلية الفائقة
إن ميل جميع أزواج كوبر إلى التكثف في نفس الحالة الكمية الأساسية هو مصدر الخصائص الغريبة للموصلية الفائقة. اعتبر كوبر في الأصل تكوين أزواج منفردة فقط في المعادن، ولكن في الحالة الأكثر واقعية لتكوين أزواج متعددة الإلكترونات، أظهرت نظرية BCS الكاملة أن الاقتران يفتح فجوة في استمرارية حالات الطاقة الإلكترونية المسموح بها، مما يعني أن جميع الحالات المثارة يجب أن يكون لها حد أدنى من الطاقة.
فجوة الطاقة في هذا الإثارة تجعل الإثارات الصغيرة، مثل تشتت الإلكترونات، مستحيلة.
تظهر هذه الفجوة في الطاقة بسبب تأثير الأجسام المتعددة الناتج عن الجذب المتبادل بين الإلكترونات. كان آر. إيه. أوج جونيور أول من اقترح أن الإلكترونات قد تتزاوج من خلال اهتزازات الشبكة، وهي الفكرة التي تنعكس في تأثير النظائر المرصود في الموصلات الفائقة. يوضح تأثير النظائر أن المواد ذات الكاتيونات الثقيلة لها درجات حرارة انتقال فائقة التوصيل أقل، ويمكن تفسير ذلك من خلال نظرية الاقتران كوبر: حيث يصعب جذب الكاتيونات الثقيلة وتحريك الإلكترونات، مما يؤدي إلى طاقة اقتران أصغر.
نظرية اقتران كوبر عامة جدًا ولا تعتمد على تفاعلات محددة بين الإلكترون والفونون. وقد اقترح علماء فيزياء المادة المكثفة آليات اقتران تعتمد على تفاعلات جاذبة أخرى، مثل تفاعلات الإلكترون والإكسيتون أو تفاعلات الإلكترون والبلازمون، ولكن لم تتم ملاحظة أي أمثلة على تفاعلات الاقتران الأخرى هذه في أي مادة حتى الآن.
ومن الجدير بالذكر أن اقتران كوبر ليس اقترانًا للإلكترونات الفردية لتكوين "بوزونات شبه" بل هو حالة اقتران ذات مزايا أكثر وأولوية للإلكترونات التي تدخل وتخرج من هذه الحالات.
يبدو هذا واضحا بشكل خاص في التمييز الذي قدمه جون باردين، والذي قدمه يونج، الذي لاحظ أن "مفهوم الإلكترونات المزدوجة، على الرغم من أنه ليس دقيقا تماما، فإنه يلتقط جوهر الظاهرة".
لم يضع اكتشاف أزواج كوبر الأساس للموصلية الفائقة فحسب، بل فتح أيضًا نافذة كمية غامضة لفهمنا للسيولة الفائقة للهيليوم-3. كيف ستساهم الفيزياء الكمومية في تعزيز فهمنا لخصائص المواد في المستقبل؟