Language
Country/Area
No result found
لماذا تخرق أزواج كوبر قوانين الفيزياء؟ اكتشف كيف يؤدي اقتران الإلكترونات إلى خلق تدفق خالٍ من المقاومة!
"تعتبر أزواج النحاس هي جوهر الموصلية الفائقة، وهذه الحالة هي التي تمنح المواد القدرة على حمل التيار الكهربائي دون مقاومة."
على الرغم من أن سلوك أزواج كوبر هو تأثير كمي، إلا أننا نستطيع فهم أسبابه من خلال تفسير كلاسيكي مبسط. في المعادن، تعتبر الإلكترونات عادةً جسيمات حرة. في الظروف العادية، تتنافر الإلكترونات مع بعضها البعض بسبب شحناتها السالبة، ولكنها في نفس الوقت تجتذب أيضًا الأيونات الموجبة التي تشكل الشبكة الصلبة للمعدن. يؤدي هذا الجذب إلى تشويه الشبكة الأيونية، مما يتسبب في تحرك الأيونات قليلاً نحو الإلكترونات، مما يزيد من كثافة الشحنة الموجبة في تلك المنطقة. هذه الشحنة الموجبة تجذب الإلكترونات الأخرى. على مسافات طويلة، قد تتغلب القوة الجاذبة الناتجة عن انحراف الأيونات على التنافر بين الإلكترونات، مما يتسبب في اقترانها.
"طاقة التفاعل لهذا الزوج ضعيفة جدًا، حوالي 10-3 إلكترون فولت."
وبطبيعة الحال، لا يحدث هذا الاقتران الإلكتروني إلا بشكل ملحوظ في المعادن أو الركائز الأخرى في درجات الحرارة المنخفضة. في أزواج كوبر، على الرغم من أن تفاعلات الإلكترونات يمكن أن تكون بعيدة، فهذا لا يعني أنها يجب أن تكون قريبة جدًا من بعضها البعض. قد تظل المسافة بين الإلكترونات المزدوجة مئات النانومترات، وهي مسافة عادة ما تكون أكبر من متوسط المسافة بين الإلكترونات، وبالتالي فإن العديد من أزواج كوبر يمكن أن تشغل نفس المساحة. ومن الجدير بالذكر أن الإلكترون عبارة عن فرميون ذو دوران 1/2، في حين أن أزواج كوبر لها دوران كلي صحيح (0 أو 1)، مما يجعلها بوزونات مركبة، أي أن دالة موجتها هي. تكون الجسيمات متناظرة عندما تكون متبادلة.
وبالتالي، فإن وجود أزواج كوبر يجعل من الممكن وجود أزواج كوبر متعددة في نفس الحالة الكمومية، وهو مفتاح ظاهرة الموصلية الفائقة. بالإضافة إلى الموصلات الفائقة، يمكن تطبيق نظرية BCS أيضًا على أنظمة الفرميون الأخرى، مثل الهيليوم الفائق السائل -3. في الواقع، يؤدي اقتران كوبر أيضًا إلى جعل الهيليوم-3 سائلاً فائق السيولة عند درجات الحرارة المنخفضة. في عام 2008، اقترح العلماء مفهوم أن أزواج البوزونات في الشبكات البصرية قد تكون مشابهة لأزواج كوبر.
"يتضمن تكوين أزواج كوبر تأثير تضخيم مقترنًا باهتزازات الشبكة."
إن ميل جميع أزواج كوبر في نظام ما إلى "التكثف" إلى نفس الحالة الأساسية هو السبب الأساسي وراء خاصية الموصلية الفائقة. اعتبر كوبر في البداية أن تكوين أزواج الإلكترونات المنفردة في المعادن فقط. ولكن في سيناريو أكثر واقعية، عندما يتم النظر في تكوين أزواج متعددة من الإلكترونات، نجد أن هذا الاقتران يفتح فجوة طاقة في استمرارية حالات الطاقة المسموح بها للإلكترونات، مما يعني أن جميع إثارات النظام يجب أن يكون لها مقدار معين من الطاقة. تؤدي فجوة الإثارة هذه إلى الموصلية الفائقة لأن الإثارات الصغيرة، مثل تشتت الإلكترونات، محظورة. تظهر هذه الفجوة نتيجة لقوى الجذب المحسوسة بين الإلكترونات وتأثير الأجسام المتعددة.
كان آر. إيه. أوج جونيور أول من اقترح أن الإلكترونات يمكن أن تترابط في أزواج من خلال اهتزازات الشبكة في مادة ما. يتضح ذلك من خلال التأثير النظيري الذي لوحظ في الموصلات الفائقة. يوضح هذا التأثير أن المواد ذات الأيونات الثقيلة (نظائر نووية مختلفة) لها درجات حرارة انتقال فائقة التوصيل أقل. يمكن تفسير ذلك من خلال نظرية اقتران كوبر: حيث تخلق الأيونات الثقيلة صعوبات أكبر في جذب وحركة الإلكترونات، مما يؤدي إلى طاقة ربط اقتران أصغر.
وقد اقترح علماء فيزياء المادة المكثفة آليات اقتران تعتمد على تفاعلات جاذبة أخرى، مثل تفاعلات الإلكترون والإكسيتون أو تفاعلات الإلكترون والبلازمون، ولكن هذه التفاعلات الاقترانية الأخرى لم يتم ملاحظتها بعد في أي مادة. ومن الجدير بالذكر أن اقتران كوبر لا يتضمن اقتران الإلكترونات الفردية لتشكيل "بوزونات شبه". يتم تفضيل الحالات المزدوجة من حيث الطاقة، وسوف تفضل الإلكترونات الدخول والخروج من هذه الحالات. وهذا تمييز دقيق أكد عليه جون باردين: "على الرغم من أن هذا ليس وصفًا دقيقًا من الناحية الفنية لمفهوم الاقتران الإلكتروني، إلا أنه لا يزال يلتقط جوهره". إن الفهم العميق لهذا النظام لا يغير فهمنا لفيزياء المواد فحسب، بل يوفر أيضًا إمكانيات غير محدودة للتقدم التكنولوجي في المستقبل. هل يستطيع البشر اكتشاف نفس ظاهرة الموصلية الفائقة في نطاق درجات حرارة أعلى، مما قد يؤدي إلى تغيير مستقبل الطاقة لدينا؟"إن نظرية اقتران كوبر عامة جدًا ولا تعتمد على تفاعل محدد بين الإلكترون والفونون."
