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Pares de Cooper y superfluidez: ¡la magia cuántica detrás del fenómeno superfluido del helio-3!
En la física de la materia condensada, un par de Cooper es un par formado por dos electrones (u otros fermiones) combinados de una manera específica en condiciones de baja temperatura. El fenómeno fue descrito por primera vez por el físico estadounidense Leon Cooper en 1956. Cooper demostró que incluso una fuerza de atracción débil podría causar que los electrones formen estados de apareamiento con energías inferiores a la energía de Fermi. Esto significa que los pares que se forman existen debido a esta fuerte interacción.
Los pares de Cooper son la piedra angular de la superconductividad, una teoría desarrollada por John Bardeen, Leon Cooper y John Schrieffer, por la que compartieron el Premio Nobel en 1972. Aunque el emparejamiento de Cooper es un efecto cuántico, la causa del emparejamiento puede entenderse utilizando una explicación clásica simplificada.En los superconductores convencionales, esta fuerza de atracción surge principalmente de las interacciones electrón-fonón.
En los metales, los electrones normalmente se mueven como partículas libres. Las cargas negativas de los electrones se repelen entre sí, pero al mismo tiempo también atraen a los cationes que forman la red metálica. Esta atracción provoca una deformación de la red catiónica, moviendo los cationes ligeramente cerca de los electrones y aumentando así la densidad de carga positiva cercana. Una carga tan positiva puede atraer otros electrones. A lo largo de largas distancias, esta fuerza de atracción debida a los cationes desplazados supera las fuerzas repulsivas entre los electrones, provocando que se apareen.
La energía de la interacción de emparejamiento es muy débil, del orden de 10-3 eV, por lo que la energía térmica puede destruir fácilmente estos pares.
Por tanto, sólo a bajas temperaturas, en metales y otras matrices, los electrones existen en cantidades significativas como pares de Cooper. Es importante tener en cuenta que los electrones apareados no tienen por qué estar muy cerca uno del otro. Dado que la interacción es de largo alcance, los electrones apareados pueden estar separados por cientos de nanómetros, lo que suele ser mayor que la distancia media entre electrones, por lo que muchos pares de Cooper pueden ocupar el mismo espacio.
Los electrones tienen espín 1/2, por lo que son fermiones, pero los pares de Cooper tienen un espín total entero (0 o 1), por lo que son bosones compuestos. Esto significa que bajo intercambio de partículas, la función de onda del par de Cooper es simétrica. Por lo tanto, a diferencia de los electrones, múltiples pares de Cooper pueden coexistir en el mismo estado cuántico, lo cual es la razón fundamental del fenómeno de la superconductividad.La teoría BCS también se aplica a otros sistemas fermiónicos, como el helio-3. De hecho, el emparejamiento de Cooper es lo que hace que el helio-3 sea superfluido a bajas temperaturas. A medida que avanza la ciencia, muchos físicos también han propuesto que los pares bosónicos en redes ópticas pueden ser similares a los pares de Cooper.
Relación entre los pares de Cooper y la superconductividadLa tendencia de todos los pares de Cooper a condensarse en el mismo estado cuántico fundamental es la fuente de las extrañas propiedades de la superconductividad. Cooper originalmente consideró sólo la formación de pares solitarios en metales, pero en el caso más realista de la formación de pares multielectrónicos, la teoría BCS completa mostró que el emparejamiento abre una brecha en el continuo de estados de energía electrónica permitidos, lo que significa que todos los estados excitados deben tener una energía mínima.
La brecha energética de esta excitación hace imposibles pequeñas excitaciones, como la dispersión de electrones.
Esta brecha de energía aparece debido al efecto de muchos cuerpos causado por la atracción mutua que sienten los electrones. R.A. Ogg Jr. fue el primero en proponer que los electrones podrían aparearse a través de vibraciones reticulares, una idea reflejada en el efecto isotópico observado en los superconductores. El efecto isotópico muestra que los materiales con cationes más pesados tienen temperaturas de transición superconductora más bajas, lo que puede explicarse mediante la teoría de apareamiento de Cooper: los cationes pesados son más difíciles de atraer y mover electrones, lo que resulta en una menor energía de apareamiento.
La teoría de emparejamiento de Cooper es bastante general y no se basa en interacciones específicas electrón-fonón. Los físicos de materia condensada han propuesto mecanismos de emparejamiento basados en otras interacciones atractivas, como las interacciones electrón-excitón o electrón-plasmón, pero hasta ahora no se han observado ejemplos de estas otras interacciones de emparejamiento en ningún material.
Vale la pena mencionar que el emparejamiento de Cooper no es el emparejamiento de electrones individuales para formar "cuasi-bosones", sino más bien un estado de emparejamiento con más ventajas y la prioridad de los electrones que entran y salen de estos estados.
Esto es particularmente evidente en la distinción de John Bardeen, que fue hecha por Young, quien señaló que "el concepto de electrones apareados, aunque no es enteramente preciso, captura la esencia del fenómeno".
El descubrimiento de los pares de Cooper no sólo sentó las bases de la superconductividad, sino que también abrió una misteriosa ventana cuántica para nuestra comprensión de la superfluidez del helio-3. ¿Cómo contribuirá la física cuántica a mejorar nuestra comprensión de las propiedades de los materiales en el futuro?
