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El arma secreta de la superconductividad: ¿Por qué los pares de Cooper impiden que los electrones colisionen?
En física de la materia condensada, los pares de Cooper, también conocidos como pares BCS (pares Badren-Cooper-Schriever), fueron propuestos por el físico estadounidense Leon Cooper en 1956, se refiere a pares de electrones que se unen de forma específica a bajas temperaturas. . Este fenómeno revela los principios básicos para el funcionamiento de los superconductores.
Cooper demostró que incluso una pequeña fuerza de atracción es suficiente para hacer que los electrones de los metales se emparejen, y la energía del par será menor que la energía de Fermi, lo que significa que el par está unido.
En los superconductores tradicionales, esta atracción proviene principalmente de la interacción entre electrones y fonones. Los estados del par de Cooper son el origen de la superconductividad, una teoría desarrollada por John Baderyan, Leon Cooper y John Schriever, por la que ganaron el Premio Nobel en 1972.
Aunque el emparejamiento de Cooper es un efecto cuántico, su causa puede verse en una explicación clásica simplificada. Los electrones de los metales suelen comportarse como partículas libres. Debido a su carga negativa, los electrones se repelen entre sí, pero también atraen a los iones positivos que forman la rígida red cristalina del metal. Esta fuerza de atracción puede distorsionar la red iónica, haciendo que los iones se muevan ligeramente hacia los electrones, aumentando así la densidad de cargas positivas cercanas.
Esta carga positiva atrae otros electrones. A distancias más largas, la atracción entre electrones causada por los iones en movimiento puede superar los efectos repulsivos entre ellos, lo que resulta en un apareamiento de electrones.
Una interpretación rigurosa de la mecánica cuántica muestra que este efecto de emparejamiento es causado por la interacción entre electrones y fonones. Aunque la energía de las interacciones de emparejamiento es bastante débil, del orden de 10 electrones están unidos en pares de Cooper.
Los electrones en un par de Cooper no están necesariamente cerca uno del otro porque la interacción se realiza a largas distancias y la distancia entre los electrones emparejados puede estar a cientos de nanómetros de distancia. Esta distancia suele ser mayor que el espaciado promedio de los electrones, por lo que muchos Cooper. los pares pueden ocupar el mismo espacio.
Los electrones tienen espín 1/2, por lo que son fermiones; sin embargo, el espín total de un par de Cooper es un número entero (0 o 1), es decir, es un bosón combinatorio, lo que hace que su función de onda el intercambio sea simétrico.
Esto significa que, a diferencia de los electrones, muchos pares de Cooper pueden estar en el mismo estado cuántico al mismo tiempo, lo cual es la causa fundamental de la superconductividad. La teoría BCS también se aplica a otros sistemas de fermiones, como el helio-3. De hecho, el emparejamiento de Cooper también contribuyó a la superfluidez del helio-3 a bajas temperaturas.
En 2008, los científicos propusieron que los pares de bosones en las redes ópticas pueden ser similares a los pares de Cooper. Esta nueva perspectiva abrió más direcciones de investigación.
La relación entre los pares de Cooper y la superconductividad
La tendencia de todos los pares de Cooper a "condensarse" en el mismo estado fundamental en un objeto es la fuente de las extrañas propiedades de la superconductividad. Cooper originalmente consideró solo la formación de pares aislados, pero cuando se investigaron estados de emparejamiento multielectrónico más realistas, como lo ilustra la teoría BCS, el emparejamiento abre una brecha de energía en el continuo de estados de energía permitidos para los electrones, lo que significa que todas las excitaciones del sistema debe tener un mínimo de energía.
Esta brecha de energía de excitación permite la superconductividad porque pequeñas excitaciones como la dispersión de electrones están prohibidas.
La brecha de energía se produce debido al efecto de muchos cuerpos causado por la atracción percibida entre los electrones. R.A. Ogg Jr. propuso por primera vez que los electrones podrían actuar como pares acoplados por vibraciones reticulares de un material, teoría también confirmada por los efectos isotópicos en los superconductores. Este efecto muestra que los materiales con iones pesados (diferentes isótopos nucleares) tendrán temperaturas de transición superconductoras más bajas, lo que puede explicarse por la teoría del emparejamiento de Cooper: los iones pesados tienen más dificultades para atraer y mover electrones, lo que conduce a una disminución de la energía de unión de pares.
La teoría de los pares de Cooper es bastante general y no se basa en interacciones específicas entre electrones y fonones. Actualmente, los físicos de la materia condensada han propuesto mecanismos de emparejamiento basados en otras interacciones atractivas, como las interacciones electrón-excitón o las interacciones electrón-plasma, pero estas interacciones de emparejamiento no se han observado en ningún material hasta el momento.
Vale la pena señalar que el emparejamiento de Cooper no implica el emparejamiento de electrones individuales para formar "cuasibosones". En cambio, los estados emparejados están optimizados energéticamente y los electrones tienden a entrar y salir de estos estados. John Baderen enfatizó:
“Aunque el concepto de pares de electrones no es del todo exacto, capta la esencia de este fenómeno”.
Con la profundización de la investigación sobre los pares de Cooper, es posible que en el futuro se produzcan nuevos avances que afectarán nuestra comprensión de los fenómenos superconductores. ¿Qué condiciones pueden promover más eficazmente la formación de pares de Cooper?
