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Le miracle de l'appariement des électrons : pourquoi de minuscules attractions peuvent-elles provoquer la supraconductivité
Dans le domaine de la physique de la matière condensée, une paire de Cooper ou paire BCS (paire Bardeen-Cooper-Schriver) est une paire d'électrons qui se combinent de manière spécifique à basse température. Ce concept a été proposé pour la première fois par le physicien américain Leon Cooper en 1956. Cooper a montré que même avec une faible attraction, les électrons à l’intérieur d’un métal peuvent former une paire avec une énergie inférieure à l’énergie de Fermi, ce qui suggère que la paire est liée. Dans les supraconducteurs traditionnels, cette attraction résulte de l’interaction entre les électrons et les phonons.
L'état des paires de Cooper est à l'origine du phénomène de supraconductivité, tel que décrit par la théorie BCS proposée par John Bardeen, Leon Cooper et John Shriver. Les trois scientifiques se sont donc partagé le prix Nobel Bell en 1972.
Bien que l'appariement de Cooper soit un effet quantique, le concept de base de son mécanisme d'appariement peut être expliqué avec une explication classique simplifiée. Normalement, les électrons dans un métal semblent se déplacer librement, mais sont repoussés par les charges négatives qui se trouvent entre eux. Cependant, ils attirent également les ions positifs qui constituent le réseau cristallin du métal. Cette attraction déformera les ions dans le réseau cristallin, augmentant ainsi la densité de charge positive dans la zone proche des électrons, attirant ainsi d'autres électrons. À de plus grandes distances, cette attraction entre les électrons due aux ions déplacés a le potentiel de surmonter la répulsion entre les électrons, les incitant à s'apparier.
Une explication approfondie de la mécanique quantique montre que cet effet résulte de l'interaction entre les électrons et les phonons, qui constituent le mouvement collectif des charges positives dans le réseau cristallin. L'énergie des interactions d'appariement est assez faible, de l'ordre de 0,001 eV, donc l'énergie thermique peut facilement briser ces paires. C'est pourquoi, dans les métaux ou autres substrats, les paires de Cooper ne peuvent se former que lorsqu'il y a plus d'électrons à basse température.
Les électrons appariés ne doivent pas nécessairement être proches les uns des autres, car cette interaction s'effectue à longue distance. Les électrons appariés peuvent être distants de plusieurs centaines de nanomètres, et cette distance est généralement supérieure à l'espacement moyen des électrons, ce qui permet à de nombreuses paires de Cooper de se former. occupent le même espace.
Les électrons ont un spin 1/2, ce sont donc des fermions, mais les paires de Cooper ont un spin entier (0 ou 1), ils forment donc des bosons composites. Cela signifie que leurs fonctions d'onde sont symétriques dans l'échange de particules. Par conséquent, contrairement aux électrons, plusieurs paires de Cooper peuvent être dans le même état quantique, ce qui constitue la principale raison de la supraconductivité.
La théorie BCS est également applicable à d'autres systèmes de fermions, tels que la superfluidité de ^3He. L'appariement de Cooper est également considéré comme la raison pour laquelle ^3He est superfluide à basse température. De plus, en 2008, il a été suggéré que les paires de bosons dans le réseau optique pourraient être similaires aux paires de Cooper. Cela suggère que les paires de Cooper ne se limitent pas aux interactions entre électrons, mais peuvent également s'étendre à d'autres systèmes de particules.
La formation de paires de Cooper provoque la « condensation » de toutes les paires de Cooper jusqu'au même état fondamental dans le matériau, ce qui est une propriété particulière présentée par la supraconductivité.
Cooper a d'abord considéré uniquement la formation de paires isolées dans le métal, puis a exploré la formation plus réaliste de paires multiples dans la théorie BCS et a découvert que l'appariement crée un écart énergétique dans le spectre continu des états énergétiques autorisés des électrons. toutes les excitations du système doivent avoir une certaine énergie minimale. Cet écart énergétique pour les excitations conduit à la supraconductivité car les petites excitations telles que la diffusion des électrons sont interdites. Cet écart énergétique provient de l’effet à N corps provoqué par l’attraction mutuelle entre les électrons.
R.A. Ogg Jr. a été le premier à suggérer que les électrons pourraient se comporter comme des paires couplées par des vibrations du réseau, une notion étayée par les effets isotopiques observés dans les supraconducteurs. Cet effet montre que les matériaux contenant des ions plus lourds (différents isotopes nucléaires) ont des températures de transition supraconductrices plus basses, ce qui peut s'expliquer par la théorie de l'appariement de Cooper : les ions plus lourds ont une capacité plus faible à attirer et à déplacer les électrons, ce qui entraîne l'énergie de liaison du droit la paire est plus petite.
Bien que les théories actuelles ne s'appuient pas sur des interactions électron-phonon spécifiques, les théoriciens de la matière condensée ont proposé des mécanismes d'appariement basés sur d'autres interactions attractives, telles que les interactions électron-exciton ou les interactions électron-plasma. Pour l’instant, ces autres interactions d’appariement n’ont été observées dans aucun matériau.
Il convient de noter que l'appariement de Cooper n'implique pas l'appariement d'électrons individuels pour former des « quasi-bosons ». Son état apparié est l’état électronique énergétiquement dominant, et les électrons entreront et sortiront préférentiellement de ces états.
En tant que cœur de la théorie des appariements de Cooper, la cohérence quadratique impliquée dans la description mathématique a été proposée par Yang. Compte tenu de la contribution potentielle des phénomènes de supraconductivité au développement de la science et de la technologie, comment les recherches futures éclaireront-elles la voie vers la compréhension de la supraconductivité et de la formation des paires de Cooper ?
