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¿Por qué los pares de Cooper rompen las leyes de la física? ¡Descubra cómo el apareamiento de electrones crea un flujo sin resistencia!
En la física de la materia condensada, los pares de Cooper son pares de partículas unidas por electrones (u otros fermiones) a bajas temperaturas. Este fenómeno fue descrito por primera vez por el físico estadounidense Leon Cooper en 1956. El trabajo de Cooper demostró que incluso pequeñas fuerzas de atracción pueden hacer que pares de electrones se unan, y su energía total será inferior a la energía de Fermi, lo que sugiere que el par es estable. En los superconductores convencionales, esta atracción proviene principalmente de interacciones electrón-fonón.
"Los pares de Cooper están en el corazón de la superconductividad, y es este estado el que otorga a los materiales la capacidad de transportar corriente eléctrica sin resistencia".
Aunque el comportamiento de los pares de Cooper es un efecto cuántico, podemos entender su causa a través de una explicación clásica simplificada. En los metales, los electrones generalmente se consideran partículas libres. En circunstancias normales, los electrones se repelen entre sí debido a su carga negativa, pero al mismo tiempo también atraen iones positivos que forman la red rígida del metal. Esta atracción distorsiona la red iónica, haciendo que los iones se muevan ligeramente hacia los electrones, aumentando la densidad de carga positiva en esa área. Esta carga positiva atrae a otros electrones. En largas distancias, la fuerza de atracción causada por la desviación de los iones puede superar la repulsión entre los electrones, haciendo que se apareen.
"La energía de interacción de este par es bastante débil, alrededor de 10-3 eV".
Por supuesto, este apareamiento de electrones sólo ocurre de manera significativa en metales u otros sustratos a bajas temperaturas. En los pares de Cooper, aunque las interacciones de los electrones pueden ser distantes, esto no significa que deban estar muy cerca unos de otros. Los electrones apareados aún pueden estar separados por cientos de nanómetros, una distancia que suele ser mayor que el espaciamiento promedio entre electrones, por lo que muchos pares de Cooper pueden ocupar el mismo espacio. Cabe destacar que el electrón es un fermión de espín 1/2, mientras que los pares de Cooper tienen un espín total entero (0 o 1), lo que los convierte en bosones compuestos, es decir, su función de onda es Las partículas son simétricas cuando son intercambiado.
Por lo tanto, la existencia de pares de Cooper hace posible tener múltiples pares de Cooper en el mismo estado cuántico, lo cual es la clave del fenómeno de la superconductividad. Además de los superconductores, la teoría BCS también se puede aplicar a otros sistemas de fermiones, como el helio-3 superfluido. De hecho, el emparejamiento de Cooper también hace que el helio-3 sea superfluido a bajas temperaturas. En 2008, los científicos propusieron el concepto de que los pares de bosones en redes ópticas podrían ser similares a los pares de Cooper.
"La formación de pares de Cooper implica un efecto de amplificación acoplado a vibraciones reticulares".
La tendencia de todos los pares de Cooper de un sistema a "condensarse" en el mismo estado fundamental es la razón fundamental de la propiedad de la superconductividad. Cooper inicialmente consideró sólo la formación de pares de electrones solitarios en los metales. Pero en un escenario más realista, cuando se considera la formación de múltiples pares de electrones, se encuentra que este 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 deben tener una cierta cantidad. de energía. Esta brecha de excitación conduce a la superconductividad porque las pequeñas excitaciones, como la dispersión de electrones, están prohibidas. Esta brecha aparece como resultado de las fuerzas de atracción que se sienten entre los electrones y el efecto de muchos cuerpos.
R. A. Ogg Jr. fue el primero en proponer que los electrones podían acoplarse en pares a través de vibraciones reticulares en un material. Esto lo demuestra el efecto isotópico observado en los superconductores. Este efecto muestra que los materiales con iones más pesados (diferentes isótopos nucleares) tienen temperaturas de transición superconductora más bajas. Esto se puede explicar mediante la teoría del apareamiento de Cooper: los iones más pesados crean mayores dificultades para la atracción y el movimiento de los electrones, lo que conduce a una menor energía de enlace del apareamiento.
Los físicos de materia condensada han propuesto mecanismos de emparejamiento basados en otras interacciones atractivas, como las interacciones electrón-excitón o electrón-plasmón, pero estas otras interacciones de emparejamiento aún no se han observado en ningún material. Vale la pena mencionar que el emparejamiento de Cooper no implica el emparejamiento de electrones individuales para formar "cuasi-bosones". Los estados emparejados son energéticamente preferidos y los electrones entrarán y saldrán preferentemente de estos estados. Esta es una distinción sutil que John Bardeen enfatizó: "Si bien esta no es una descripción técnicamente precisa del concepto de emparejamiento de electrones, aún captura su esencia"."La teoría del apareamiento de Cooper es bastante general y no depende de una interacción electrón-fonón específica".
Una comprensión más profunda de este sistema no sólo cambia nuestra comprensión de la física de los materiales, sino que también proporciona posibilidades ilimitadas para futuros avances tecnológicos. ¿Podrán los humanos descubrir el mismo fenómeno de superconductividad en un rango de temperaturas más elevado, cambiando quizás nuestro futuro energético?
