Language
Country/Area
No result found
Das Wunder der Elektronenpaarung: Warum können winzige Anziehungskräfte Supraleitung verursachen?
Im Bereich der Physik der kondensierten Materie ist ein Cooper-Paar oder BCS-Paar (Bardeen-Cooper-Schriver-Paar) ein Elektronenpaar, das sich bei niedrigen Temperaturen auf bestimmte Weise verbindet. Dieses Konzept wurde erstmals 1956 vom amerikanischen Physiker Leon Cooper vorgeschlagen. Cooper zeigte, dass Elektronen in einem Metall selbst bei nur schwacher Anziehung einen Paarzustand mit einer Energie unter der Fermi-Energie bilden können, was darauf hindeutet, dass das Paar gebunden ist. Bei herkömmlichen Supraleitern entsteht diese Anziehung durch die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Phononen.
Der Zustand der Cooper-Paare ist der Ursprung des Phänomens der Supraleitung, wie es in der von John Bardeen, Leon Cooper und John Shriver vorgeschlagenen BCS-Theorie beschrieben wird. Die drei Wissenschaftler erhielten daher 1972 den Nobelpreis.
Obwohl es sich bei der Cooper-Paarung um einen Quanteneffekt handelt, lässt sich das Grundkonzept seines Paarungsmechanismus mit einer vereinfachten klassischen Erklärung erklären. Normalerweise scheinen sich Elektronen innerhalb eines Metalls frei zu bewegen, werden jedoch durch die negativen Ladungen zwischen ihnen abgestoßen, ziehen jedoch auch die positiven Ionen an, aus denen das Kristallgitter des Metalls besteht. Durch diese Anziehung werden die Ionen im Kristallgitter verformt, wodurch die positive Ladungsdichte im Bereich nahe der Elektronen erhöht wird und dadurch andere Elektronen angezogen werden. Bei größeren Entfernungen kann diese Anziehung zwischen Elektronen aufgrund der verschobenen Ionen die Abstoßung zwischen Elektronen überwinden und sie dazu veranlassen, sich zu paaren.
Eine ausführliche Erklärung der Quantenmechanik zeigt, dass dieser Effekt durch die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Phononen entsteht, bei denen es sich um die kollektive Bewegung positiver Ladungen im Kristallgitter handelt. Die Energie der Paarungswechselwirkungen ist recht gering und liegt in der Größenordnung von 0,001 eV, sodass thermische Energie diese Paare leicht aufbrechen kann. Aus diesem Grund können Cooper-Paare in Metallen oder anderen Substraten nur dann gebildet werden, wenn bei niedrigen Temperaturen mehr Elektronen vorhanden sind.
Gepaarte Elektronen müssen nicht unbedingt nahe beieinander sein, da diese Wechselwirkung weitreichend ist. Die gepaarten Elektronen können Hunderte von Nanometern voneinander entfernt sein und dieser Abstand ist normalerweise größer als der durchschnittliche Elektronenabstand, der dies bei vielen Cooper-Paaren ermöglicht den gleichen Raum einnehmen.
Elektronen haben den Spin 1/2, also sind sie Fermionen, aber Cooper-Paare haben einen ganzzahligen Spin (0 oder 1), also bilden sie zusammengesetzte Bosonen. Das bedeutet, dass ihre Wellenfunktionen im Teilchenaustausch symmetrisch sind. Daher können sich im Gegensatz zu Elektronen mehrere Cooper-Paare im selben Quantenzustand befinden, was der Hauptgrund für die Supraleitung ist.
Die BCS-Theorie ist auch auf andere Fermionsysteme anwendbar, beispielsweise auf die Superfluidität von ^3He. Die Cooper-Paarung wird auch als Grund dafür angesehen, dass ^3He bei niedrigen Temperaturen supraflüssig ist. Darüber hinaus wurde 2008 vermutet, dass Bosonenpaare im optischen Gitter Cooper-Paaren ähneln könnten. Dies legt nahe, dass Cooper-Paare nicht auf Wechselwirkungen zwischen Elektronen beschränkt sind, sondern sich auch auf andere Teilchensysteme erstrecken können.
Die Bildung von Cooper-Paaren führt dazu, dass alle Cooper-Paare innerhalb des Materials zum gleichen Grundzustand „kondensieren“, was eine besondere Eigenschaft der Supraleitung ist.
Cooper betrachtete zunächst nur die Bildung isolierter Paare innerhalb des Metalls, untersuchte dann die realistischere Bildung mehrerer Paare in der BCS-Theorie und stellte fest, dass die Paarung eine Energielücke im kontinuierlichen Spektrum der zulässigen Energiezustände von Elektronen erzeugt Alle Anregungen des Systems müssen eine bestimmte Mindestenergie haben. Diese Energielücke für Anregungen führt zur Supraleitung, da kleine Anregungen wie Elektronenstreuung verboten sind. Diese Energielücke entsteht durch den Vielteilcheneffekt, der durch die gegenseitige Anziehung zwischen Elektronen verursacht wird.
R.A. Ogg Jr. schlug zunächst vor, dass sich Elektronen als durch Gitterschwingungen gekoppelte Paare verhalten könnten, eine Annahme, die durch in Supraleitern beobachtete Isotopeneffekte gestützt wird. Dieser Effekt zeigt, dass Materialien mit schwereren Ionen (verschiedenen Kernisotopen) niedrigere supraleitende Übergangstemperaturen aufweisen, was durch die Cooper-Paarungstheorie erklärt werden kann: Schwerere Ionen haben eine schwächere Fähigkeit, Elektronen anzuziehen und zu bewegen, was zu einer höheren Bindungsenergie führt Paar ist kleiner.
Obwohl aktuelle Theorien nicht auf spezifischen Elektron-Phonon-Wechselwirkungen beruhen, haben Theoretiker der kondensierten Materie Paarungsmechanismen vorgeschlagen, die auf anderen attraktiven Wechselwirkungen wie Elektron-Exziton-Wechselwirkungen oder Elektron-Plasma-Wechselwirkungen basieren. Bisher wurden diese anderen Paarungswechselwirkungen in keinem Material beobachtet.
Es ist erwähnenswert, dass es bei der Cooper-Paarung nicht um die Paarung einzelner Elektronen zur Bildung von „Quasi-Bosonen“ geht. Sein gepaarter Zustand ist der energetisch dominierende elektronische Zustand, und Elektronen bewegen sich vorzugsweise in diese Zustände hinein und aus ihnen heraus.
Als Kernstück von Coopers Paarungstheorie wurde von Yang die quadratische Kohärenz in der mathematischen Beschreibung vorgeschlagen. Wie wird zukünftige Forschung angesichts des potenziellen Beitrags von Supraleitungsphänomenen zur Entwicklung von Wissenschaft und Technologie den Weg zum Verständnis der Supraleitung und der Bildung von Cooper-Paaren erhellen?
