Language
Country/Area
No result found
السلاح السري للموصلية الفائقة: لماذا تستطيع أزواج كوبر منع الإلكترونات من الاصطدام؟
في فيزياء المادة المكثفة، تم اقتراح أزواج كوبر، والمعروفة أيضًا باسم أزواج BCS (أزواج بادرين-كوبر-شرايفر)، من قبل الفيزيائي الأمريكي ليون كوبر في عام 1956، وتشير إلى أزواج من الإلكترونات التي ترتبط ببعضها البعض بطريقة معينة عند درجات حرارة منخفضة . تكشف هذه الظاهرة عن المبادئ الأساسية لعمل الموصلات الفائقة.
أظهر كوبر أنه حتى قوة جذب صغيرة تكفي لتسبب اقتران الإلكترونات في المعادن، وستكون طاقة الزوج أقل من طاقة فيرمي، مما يعني أن الزوج مرتبط.
في الموصلات الفائقة التقليدية، يأتي هذا الجذب بشكل أساسي من التفاعل بين الإلكترونات والفونونات. حالات زوج كوبر هي أصل الموصلية الفائقة، وهي نظرية طورها جون بادريان، وليون كوبر، وجون شريفر، والتي فازوا عنها بجائزة نوبل في عام 1972.
على الرغم من أن اقتران كوبر هو تأثير كمي، إلا أنه يمكن رؤية سببه في تفسير كلاسيكي مبسط. عادة ما تتصرف الإلكترونات الموجودة في المعادن مثل الجسيمات الحرة. وبسبب شحنتها السالبة، تتنافر الإلكترونات مع بعضها البعض، ولكنها تجتذب أيضًا الأيونات الموجبة التي تشكل الشبكة البلورية الصلبة للمعدن. يمكن لهذه القوة الجاذبة أن تشوه الشبكة الأيونية، مما يتسبب في تحرك الأيونات قليلاً نحو الإلكترونات، وبالتالي زيادة كثافة الشحنات الموجبة القريبة.
هذه الشحنة الموجبة تجذب إلكترونات أخرى. وعلى مسافات أطول، فإن التجاذب بين الإلكترونات الناجم عن الأيونات المتحركة قد يتغلب على التأثيرات التنافرية بينها، مما يؤدي إلى اقتران الإلكترونات.
يُظهر تفسير دقيق لميكانيكا الكم أن تأثير الاقتران هذا ناتج عن التفاعل بين الإلكترونات والفونونات. على الرغم من أن طاقة تفاعلات الاقتران ضعيفة جدًا، إلا أنها في حدود 10 الإلكترونات مقيدة بأزواج كوبر.
ليس من الضروري أن تكون الإلكترونات الموجودة في زوج كوبر قريبة من بعضها البعض لأن التفاعل يكون عبر مسافات طويلة وقد تكون المسافة بين الإلكترونات المزدوجة مئات النانومترات وعادةً ما تكون هذه المسافة أكبر من متوسط تباعد الإلكترونات، لذا فإن كوبر يمكن للأزواج أن يشغلوا نفس المساحة.
للإلكترونات دوران قدره 1/2، لذا فهي فرميونات، ومع ذلك، فإن الدوران الإجمالي لزوج كوبر هو عدد صحيح (0 أو 1)، مما يعني أنه بوزون اندماجي، مما يجعل دالته الموجية التبادلية متناظرة.
وهذا يعني أنه على عكس الإلكترونات، يمكن للعديد من أزواج كوبر أن تكون في نفس الحالة الكمومية في نفس الوقت، وهو السبب الجذري للموصلية الفائقة. تنطبق نظرية BCS أيضًا على أنظمة الفرميونات الأخرى، مثل الهيليوم-3. في الواقع، ساهم اقتران كوبر أيضًا في زيادة سيولة الهيليوم-3 عند درجات الحرارة المنخفضة.
في عام 2008، اقترح العلماء أن أزواج البوزون في الشبكات الضوئية قد تكون مشابهة لأزواج كوبر. وقد فتح هذا المنظور الجديد المزيد من اتجاهات البحث.
العلاقة بين أزواج كوبر والموصلية الفائقة
إن ميل جميع أزواج كوبر إلى "التكثيف" إلى نفس الحالة الأرضية في الجسم هو مصدر الخصائص الغريبة للموصلية الفائقة. اعتبر كوبر في الأصل تكوين أزواج معزولة فقط، ولكن عندما تم دراسة حالات الاقتران متعدد الإلكترونات الأكثر واقعية، كما هو موضح في نظرية BCS، يفتح الاقتران فجوة طاقة في سلسلة حالات الطاقة المسموح بها للإلكترونات، مما يعني أن جميع إثارات النظام يجب أن يكون لديك بعض الحد الأدنى من الطاقة.
تتيح فجوة طاقة الإثارة هذه الموصلية الفائقة لأن الإثارات الصغيرة مثل تشتت الإلكترونات محظورة.
تحدث فجوة الطاقة بسبب تأثير الأجسام المتعددة الناتج عن التجاذب الملحوظ بين الإلكترونات. اقترح آر إيه أوج جونيور لأول مرة أن الإلكترونات قد تعمل كأزواج مقترنة باهتزازات شبكية للمادة، وهي نظرية تم تأكيدها أيضًا من خلال تأثيرات النظائر في الموصلات الفائقة. يوضح هذا التأثير أن المواد ذات الأيونات الثقيلة (نظائر نووية مختلفة) سيكون لها درجات حرارة انتقالية منخفضة التوصيل الفائق، وهو ما يمكن تفسيره من خلال نظرية الاقتران كوبر: الأيونات الثقيلة لديها صعوبة أكبر في جذب الإلكترونات وتحريكها، مما يؤدي إلى انخفاض طاقة الارتباط الزوجي.
نظرية أزواج كوبر عامة إلى حد ما ولا تعتمد على تفاعلات محددة بين الإلكترون والفونون. حاليًا، اقترح علماء فيزياء المادة المكثفة آليات الاقتران بناءً على تفاعلات جذابة أخرى، مثل تفاعلات الإلكترون والإكسيتون أو تفاعلات الإلكترون والبلازما، ولكن لم يتم ملاحظة تفاعلات الاقتران هذه في أي مادة حتى الآن.
من الجدير بالذكر أن اقتران كوبر لا يتضمن اقتران الإلكترونات الفردية لتكوين "أشباه البوزونات". وبدلاً من ذلك، يتم تحسين الحالات المقترنة بالطاقة، وتميل الإلكترونات إلى التحرك داخل وخارج هذه الحالات. وأكد جون بادرين:
"على الرغم من أن مفهوم الإلكترونات المزدوجة ليس دقيقًا تمامًا، إلا أنه يجسد جوهر هذه الظاهرة."
مع تعميق الأبحاث حول أزواج كوبر، قد تكون هناك اكتشافات جديدة في المستقبل من شأنها أن تؤثر على فهمنا لظواهر الموصلية الفائقة. ما هي الظروف التي يمكن أن تعزز بشكل أكثر فعالية تشكيل أزواج كوبر؟
