Language
Country/Area
No result found
معجزة الاقتران الإلكتروني: لماذا يمكن أن تسبب عوامل الجذب الصغيرة الموصلية الفائقة؟
أزواج كوبر هي مصدر الموصلية الفائقة، كما هو موضح في نظرية BCS التي اقترحها جون باردين وليون كوبر وجون شرايفر، الذين تقاسموا جائزة نوبل في عام 1972. جائزة بيل.
على الرغم من أن اقتران كوبر هو تأثير كمي، إلا أن المفهوم الأساسي لآلية اقترانه يمكن تفسيره باستخدام تفسير كلاسيكي مبسط. في العادة، يبدو أن الإلكترونات الموجودة في المعادن تتحرك بحرية، وتتنافر مع بعضها البعض لأن شحناتها السالبة تتنافر مع بعضها البعض؛ ومع ذلك، فإنها تجتذب أيضًا الأيونات الموجبة التي تشكل الشبكة البلورية للمعدن. يؤدي هذا الجذب إلى تشوه الأيونات الموجودة في الشبكة، مما يؤدي إلى زيادة كثافة الشحنة الموجبة في المنطقة القريبة من الإلكترون، وبالتالي جذب الإلكترونات الأخرى. على مسافات أكبر، قد تتغلب قوى الجذب بين الإلكترونات بسبب الأيونات النازحة على التنافر بين الإلكترونات، مما يتسبب في اقترانها.
يظهر تفسير ميكانيكي كمي أعمق أن التأثير ينشأ من التفاعل بين الإلكترونات والفونونات، والحركة الجماعية للشحنات الموجبة في الشبكة البلورية. إن طاقة التفاعل المزدوج صغيرة جدًا، في حدود 0.001 إلكترون فولت، لذا فإن الطاقة الحرارية قادرة على كسر هذه الأزواج بسهولة. ولهذا السبب، في المعادن أو الركائز الأخرى، لا يمكن لأزواج كوبر أن تتشكل إلا عندما يكون هناك المزيد من الإلكترونات في درجات حرارة منخفضة.
لا يلزم بالضرورة أن تكون الإلكترونات المقترنة قريبة جدًا من بعضها البعض، لأن التفاعل طويل المدى، وقد تكون الإلكترونات المقترنة بعيدة عن بعضها بمئات النانومتر، وهو ما يكون عادةً أكبر من متوسط المسافة بين الإلكترونات، مما يسمح بالعديد من كوبر أزواج 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 تشكل بوزونات مركبة. وهذا يعني أن وظائفهم الموجية متماثلة في تبادل الجسيمات. لذلك، وعلى عكس الإلكترونات، يمكن لأزواج كوبر المتعددة أن تتواجد في نفس الحالة الكمومية، وهو السبب الرئيسي للموصلية الفائقة.
تنطبق نظرية BCS أيضًا على أنظمة الفرميون الأخرى، مثل السيولة الفائقة للهيليوم ^3He. يُعتقد أيضًا أن اقتران كوبر هو السبب وراء كون ^3He سائلاً فائقًا في درجات الحرارة المنخفضة. علاوة على ذلك، في عام 2008، اقترح أن الأزواج البوزونية في الشبكات البصرية قد تكون مماثلة لأزواج كوبر. ويشير هذا إلى أن أزواج كوبر لا تقتصر على التفاعلات بين الإلكترونات، بل قد تمتد إلى أنظمة جسيمية أخرى.يؤدي تكوين أزواج كوبر إلى "تكثيف" جميع أزواج كوبر إلى نفس الحالة الأساسية داخل المادة، وهي الخاصية الفريدة التي تتميز بها الموصلية الفائقة.في البداية، نظر كوبر في تكوين أزواج منفردة في المعادن، ثم استكشف التكوين الأكثر واقعية للأزواج المتعددة في نظرية BCS، ووجد أن الاقتران يخلق فجوة طاقة في الطيف المستمر لحالات الطاقة المسموح بها للإلكترونات. وهذا يعني أن جميع إثارات يجب أن يكون للنظام حد أدنى معين من الطاقة. تؤدي فجوة الطاقة هذه للإثارات إلى الموصلية الفائقة، نظرًا لأن الإثارات الصغيرة مثل تشتت الإلكترونات محظورة. تأتي هذه الفجوة في الطاقة من تأثير الجسم المتعدد الناتج عن الجذب المتبادل بين الإلكترونات. كان آر. إيه. أوج جونيور أول من اقترح أن الإلكترونات قد تتصرف كأزواج مقترنة باهتزازات الشبكة، وهي فكرة مدعومة بتأثير النظائر المرصود في الموصلات الفائقة. يوضح هذا التأثير أن المواد ذات الأيونات الثقيلة (نظائر نووية مختلفة) لها درجات حرارة انتقال فائقة التوصيل أقل، ويمكن تفسير ذلك من خلال نظرية اقتران كوبر: الأيونات الثقيلة لها قدرة أضعف على جذب وتحريك الإلكترونات، مما يؤدي إلى طاقة ربط الزوج أصغر. على الرغم من أن النظريات الحالية لا تعتمد على تفاعلات محددة بين الإلكترون والفونون، فقد اقترح منظرو المادة المكثفة آليات اقتران تعتمد على تفاعلات جاذبة أخرى، مثل تفاعلات الإلكترون والإكسيتون أو تفاعلات الإلكترون والبلازمون. ولم تتم ملاحظة هذه التفاعلات المزدوجة الأخرى في أي مادة حتى الآن.
ومن الجدير بالذكر أن اقتران كوبر لا يتضمن اقتران الإلكترونات الفردية لتشكيل "بوزونات شبه". الحالات المزدوجة هي حالات إلكترونية مهيمنة من حيث الطاقة، وتتحرك الإلكترونات بشكل تفضيلي داخل وخارج هذه الحالات.
باعتبارها جوهر نظرية اقتران كوبر، اقترح يانغ التماسك الثانوي المشارك في الوصف الرياضي. مع المساهمة المحتملة للموصلية الفائقة في تطوير العلوم والتكنولوجيا، كيف ستتمكن الأبحاث المستقبلية من إلقاء الضوء على الطريق لفهم الموصلية الفائقة وتشكيل أزواج كوبر؟
