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Warum verstoßen Cooper-Paare gegen die Gesetze der Physik? Entdecken Sie, wie durch Elektronenpaarung ein widerstandsfreier Fluss entsteht!
In der Physik der kondensierten Materie ist ein Cooper-Paar ein Teilchenpaar, das bei niedrigen Temperaturen durch Elektronen (oder andere Fermionen) zusammengehalten wird. Diese Situation wurde erstmals 1956 vom amerikanischen Physiker Leon Cooper beschrieben. Coopers Forschung zeigte, dass selbst kleine Anziehungskräfte dazu führen können, dass sich Elektronenpaare verbinden und ihre Gesamtenergie niedriger als die Fermi-Energie ist, was darauf hindeutet, dass das Paar stabil ist. In herkömmlichen Supraleitern entsteht diese Anziehung hauptsächlich durch Elektron-Phonon-Wechselwirkungen.
„Der Cooper-Paar-Zustand ist der Kern des supraleitenden Phänomens. Es ist dieser Zustand, der dem Material die Eigenschaften eines widerstandslosen Stromflusses verleiht.“
Obwohl das Verhalten von Cooper-Paaren ein Quanteneffekt ist, können wir seine Gründe durch vereinfachte klassische Erklärungen verstehen. In Metallen werden Elektronen üblicherweise als freie Teilchen betrachtet. Unter normalen Umständen stoßen sich Elektronen aufgrund ihrer negativen Ladung gegenseitig ab, ziehen aber auch positive Ionen an, die das starre Kristallgitter des Metalls bilden. Diese Anziehung verzerrt das Ionengitter, wodurch sich die Ionen leicht in Richtung der Elektronen bewegen und dadurch die positive Ladungsdichte in dem Bereich erhöht. Diese positive Ladung kann andere Elektronen anziehen. Über große Entfernungen hinweg kann die durch die Ablenkung der Ionen verursachte Anziehung die Abstoßungskräfte zwischen den Elektronen überwinden und dazu führen, dass sie sich paaren.
„Die Wechselwirkungsenergie dieser Paarung ist ziemlich schwach, etwa 10-3 eV.“
Natürlich ist diese Elektronenpaarung in Metallen oder anderen Substraten nur bei niedrigen Temperaturen in nennenswertem Umfang vorhanden. Obwohl die Elektronen in einem Cooper-Paar sehr weit voneinander entfernt interagieren können, heißt das nicht, dass sie unbedingt sehr nahe beieinander sind. Gepaarte Elektronen können immer noch Hunderte von Nanometern voneinander entfernt sein, was normalerweise größer ist als der durchschnittliche Elektronenabstand, sodass viele Cooper-Paare denselben Raum einnehmen können. Es ist erwähnenswert, dass Elektronen Fermionen mit Spin 1/2 sind, während Cooper-Paare einen ganzzahligen Spin (0 oder 1) haben, was sie zu zusammengesetzten Bosonen macht, was bedeutet, dass ihre Wellenfunktion ist. Teilchen sind symmetrisch, wenn sie vertauscht werden.
Daher ermöglicht die Existenz von Cooper-Paaren den Besitz mehrerer Cooper-Paare im gleichen Quantenzustand, was der Schlüssel zum Phänomen der Supraleitung ist. Neben Supraleitern kann die BCS-Theorie auch auf andere Fermionsysteme angewendet werden, beispielsweise auf supraflüssiges Helium-3. Tatsächlich macht die Cooper-Paarung Helium-3 auch bei niedrigen Temperaturen superflüssig. Im Jahr 2008 schlugen Wissenschaftler das Konzept vor, dass Bosonenpaare in einem optischen Gitter Cooper-Paaren ähneln könnten.
„Die Bildung von Cooper-Paaren beinhaltet einen durch Gitterschwingungen gekoppelten Verstärkungseffekt.“
Die Tendenz aller Cooper-Paare in einem System, zum gleichen Grundzustand zu „kondensieren“, ist die grundlegende Ursache für supraleitende Eigenschaften. Cooper betrachtete zunächst nur die Bildung freier Elektronenpaare in Metallen. Aber in einer realistischeren Situation, wenn man die Bildung mehrerer Elektronenpaare berücksichtigt, stellt man fest, dass diese Paarung eine Energielücke im Kontinuum der erlaubten Energiezustände der Elektronen öffnet, was bedeutet, dass alle Anregungen des Systems vorhanden sein müssen Eine gewisse Menge Energie. Diese Anregungslücke führt zur Supraleitung, da kleine Anregungen, wie etwa die Streuung von Elektronen, verboten sind. Diese Lücke entsteht durch die Anziehung zwischen Elektronen und den Vielteilcheneffekt.
R. A. Ogg Jr. schlug zunächst vor, dass Elektronen durch Gitterschwingungen in Materialien paarweise gekoppelt werden könnten. Dies wird durch die in Supraleitern beobachteten Isotopeneffekte belegt. Dieser Effekt zeigt, dass Materialien mit schwereren Ionen (verschiedene Kernisotope) niedrigere supraleitende Übergangstemperaturen aufweisen. Dies kann durch Coopers Paarungstheorie erklärt werden: Schwerere Ionen erschweren die Anziehung und Bewegung von Elektronen, was zu geringeren Paarbindungsenergien führt.
„Die Cooper-Paarungstheorie ist ziemlich allgemein und hängt nicht von spezifischen Elektron-Phonon-Wechselwirkungen ab.“
Physiker der kondensierten Materie haben Paarungsmechanismen vorgeschlagen, die auf anderen attraktiven Wechselwirkungen wie Elektron-Exziton-Wechselwirkungen oder Elektron-Plasma-Wechselwirkungen basieren, aber diese anderen Paarungswechselwirkungen wurden bisher 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. Gepaarte Zustände werden energetisch bevorzugt, und Elektronen betreten und verlassen diese Zustände bevorzugt. Dies ist der subtile Unterschied, den John Bardeen betonte: „Obwohl es technisch nicht ganz korrekt ist, das Konzept der Elektronenpaarung zu beschreiben, erfasst es dennoch sein Wesentliches.“
Das tiefgreifende Verständnis dieses Systems verändert nicht nur unser Verständnis der physikalischen Eigenschaften von Materialien, sondern bietet auch unbegrenzte Möglichkeiten für den zukünftigen technologischen Fortschritt. Können Menschen das gleiche supraleitende Phänomen in einem höheren Temperaturbereich entdecken und möglicherweise unsere Energiezukunft verändern?
