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El milagro del emparejamiento de electrones: ¿Por qué pequeñas atracciones pueden causar superconductividad?
En el campo de la física de la materia condensada, un par Cooper o par BCS (par Bardeen-Cooper-Schriver) es un par de electrones que se combinan de forma específica a bajas temperaturas. Este concepto fue propuesto por primera vez por el físico estadounidense Leon Cooper en 1956. Cooper demostró que incluso con una atracción débil, los electrones dentro de un metal pueden formar un estado de par con una energía menor que la energía de Fermi, lo que sugiere que el par está unido. En los superconductores tradicionales, esta atracción surge de la interacción entre electrones y fonones.
El estado de los pares de Cooper es el origen del fenómeno de la superconductividad, tal como lo describe la teoría BCS propuesta por John Bardeen, Leon Cooper y John Shriver. Los tres científicos compartieron el Premio Bell de 1972.
Aunque el emparejamiento de Cooper es un efecto cuántico, el concepto básico de su mecanismo de emparejamiento se puede explicar con una explicación clásica simplificada. Normalmente, los electrones dentro de un metal parecen moverse libremente, pero son repelidos por las cargas negativas entre ellos; sin embargo, también atraen los iones positivos que forman la red cristalina del metal. Esta atracción deformará los iones en la red cristalina, aumentando así la densidad de carga positiva en el área cercana a los electrones, atrayendo así a otros electrones. A distancias mayores, esta atracción entre electrones debido a los iones desplazados tiene el potencial de superar la repulsión entre electrones, incitándolos a emparejarse.
Una explicación detallada de la mecánica cuántica muestra que este efecto surge de la interacción entre electrones y fonones, que son el movimiento colectivo de cargas positivas en la red cristalina. La energía de las interacciones de emparejamiento es bastante pequeña, del orden de 0,001 eV, por lo que la energía térmica puede romper fácilmente estos pares. Por eso, en metales u otros sustratos, los pares de Cooper sólo pueden formarse cuando hay más electrones a bajas temperaturas.
Los electrones emparejados no necesariamente tienen que estar muy juntos, porque esta interacción es de largo alcance. Los electrones emparejados pueden estar separados por cientos de nanómetros, y esta distancia suele ser mayor que el espaciado promedio de los electrones, lo que permite que muchos pares de Cooper estén juntos. ocupar el mismo espacio.
Los electrones tienen espín 1/2, por lo que son fermiones, pero los pares de Cooper tienen un espín entero (0 o 1), por lo que forman bosones compuestos. Esto significa que sus funciones de onda son simétricas en el intercambio de partículas. Por lo tanto, a diferencia de los electrones, varios pares de Cooper pueden estar en el mismo estado cuántico, que es la razón principal de la superconductividad.
La teoría BCS también es aplicable a otros sistemas de fermiones, como la superfluidez de ^3He. También se considera que el emparejamiento de Cooper es la razón por la cual ^3He es superfluido a bajas temperaturas. Además, en 2008, se sugirió que los pares de bosones en la red óptica podrían ser similares a los pares de Cooper. Esto sugiere que los pares de Cooper no se limitan a interacciones entre electrones, sino que también pueden extenderse a otros sistemas de partículas.
La formación de pares de Cooper hace que todos los pares de Cooper se "condensan" al mismo estado fundamental dentro del material, que es una propiedad peculiar exhibida por la superconductividad.
Cooper inicialmente consideró solo la formación de pares aislados dentro del metal, luego exploró la formación más realista de pares múltiples en la teoría BCS y descubrió que el emparejamiento crea una brecha de energía en el espectro continuo de estados de energía permitidos de los electrones. todas las excitaciones del sistema deben tener una cierta energía mínima. Esta brecha de energía para las excitaciones conduce a la superconductividad porque se prohíben pequeñas excitaciones como la dispersión de electrones. Esta brecha de energía proviene del efecto de muchos cuerpos provocado por la atracción mutua entre los electrones.
R.A. Ogg Jr. sugirió por primera vez que los electrones podrían comportarse como pares acoplados por vibraciones de red, una noción respaldada por los efectos isotópicos observados en los superconductores. Este efecto muestra que los materiales con iones más pesados (diferentes isótopos nucleares) tienen temperaturas de transición superconductoras más bajas, lo que puede explicarse mediante la teoría del emparejamiento de Cooper: los iones más pesados tienen una capacidad más débil para atraer y mover electrones, lo que resulta en la energía de enlace de la derecha. El par es más pequeño.
Aunque las teorías actuales no se basan en interacciones específicas electrón-fonón, los teóricos de la materia condensada han propuesto mecanismos de emparejamiento basados en otras interacciones atractivas, como las interacciones electrón-excitón o las interacciones electrón-plasma. Hasta el momento, estas otras interacciones de emparejamiento no se han observado en ningún material.
Vale la pena señalar que el emparejamiento de Cooper no implica el emparejamiento de electrones individuales para formar "cuasibosones". Su estado pareado es el estado electrónico energéticamente dominante, y los electrones entrarán y saldrán preferentemente de estos estados.
Yang ha propuesto como núcleo de la teoría del emparejamiento de Cooper la coherencia cuadrática involucrada en la descripción matemática. Con la contribución potencial de los fenómenos de superconductividad al desarrollo de la ciencia y la tecnología, ¿cómo iluminarán las investigaciones futuras el camino hacia la comprensión de la superconductividad y la formación de pares de Cooper?
