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L'arme secrète de la supraconductivité : pourquoi les paires de Cooper peuvent-elles empêcher les électrons d'entrer en collision
En physique de la matière condensée, les paires de Cooper, également connues sous le nom de paires BCS (paires Badren-Cooper-Schriever), ont été proposées par le physicien américain Leon Cooper en 1956 et font référence à des paires d'électrons qui se lient ensemble d'une manière spécifique à basse température. . Ce phénomène révèle les principes de base du fonctionnement des supraconducteurs.
Cooper a montré que même une petite force d'attraction suffit à provoquer l'appariement des électrons dans les métaux, et que l'énergie de la paire sera inférieure à l'énergie de Fermi, ce qui signifie que la paire est liée.
Dans les supraconducteurs traditionnels, cette attraction vient principalement de l'interaction entre les électrons et les phonons. Les états de paire de Cooper sont à l'origine de la supraconductivité, une théorie développée par John Baderyan, Leon Cooper et John Schriever, pour laquelle ils ont remporté le prix Nobel en 1972.
Bien que l'appariement de Cooper soit un effet quantique, sa cause peut être vue dans une explication classique simplifiée. Les électrons des métaux se comportent généralement comme des particules libres. En raison de leur charge négative, les électrons se repoussent, mais ils attirent également les ions positifs qui constituent le réseau cristallin rigide du métal. Cette force attractive peut déformer le réseau ionique, provoquant un léger déplacement des ions vers les électrons, augmentant ainsi la densité des charges positives à proximité.
Cette charge positive attire d'autres électrons. À de plus longues distances, l’attraction entre les électrons provoquée par les ions en mouvement peut vaincre les effets répulsifs entre eux, entraînant ainsi un appariement des électrons.
Une interprétation rigoureuse de la mécanique quantique montre que cet effet d'appariement est causé par l'interaction entre les électrons et les phonons. Bien que l'énergie des interactions d'appariement soit assez faible, de l'ordre de 10. Les électrons sont liés en paires de Cooper.
Les électrons d'une paire de Cooper ne sont pas nécessairement proches les uns des autres car l'interaction se fait sur de longues distances et la distance entre les électrons appariés peut être de plusieurs centaines de nanomètres. Cette distance est généralement supérieure à l'espacement moyen des électrons, c'est pourquoi de nombreux Cooper. les paires peuvent occuper le même espace.
Les électrons ont un spin de 1/2, ce sont donc des fermions ; cependant, le spin total d'une paire de Cooper est un nombre entier (0 ou 1), ce qui signifie qu'il s'agit d'un boson combinatoire, qui fait que sa fonction d'onde est symétrique.
Cela signifie que contrairement aux électrons, de nombreuses paires de Cooper peuvent être dans le même état quantique en même temps, ce qui est à l'origine de la supraconductivité. La théorie BCS s'applique également à d'autres systèmes de fermions, tels que l'hélium-3. En fait, l’appariement de Cooper a également contribué à la superfluidité de l’hélium-3 à basse température.
En 2008, des scientifiques ont proposé que les paires de bosons dans les réseaux optiques pourraient être similaires aux paires de Cooper. Cette nouvelle perspective a ouvert davantage de pistes de recherche.
La relation entre les paires de Cooper et la supraconductivité
La tendance de toutes les paires de Cooper à se « condenser » dans le même état fondamental dans un objet est à l’origine des étranges propriétés de la supraconductivité. Cooper ne considérait à l'origine que la formation de paires isolées, mais lorsque des états d'appariement multi-électrons plus réalistes ont été étudiés, comme l'illustre la théorie BCS, l'appariement ouvre un fossé énergétique dans le continuum des états d'énergie admissibles pour les électrons, ce qui signifie que toutes les excitations du système doit avoir un minimum d'énergie.
Cet écart d'énergie d'excitation permet la supraconductivité car les petites excitations telles que la diffusion d'électrons sont interdites.
Le fossé énergétique se produit en raison de l'effet à N corps provoqué par l'attraction perçue entre les électrons. R.A. Ogg Jr. a été le premier à proposer que les électrons pourraient agir comme des paires couplées par les vibrations du réseau d'un matériau, une théorie également confirmée par les effets isotopiques dans les supraconducteurs. Cet effet montre que les matériaux contenant des ions lourds (différents isotopes nucléaires) auront des températures de transition supraconductrices plus basses, ce qui peut s'expliquer par la théorie d'appariement de Cooper : les ions lourds ont plus de difficulté à attirer et à déplacer les électrons, ce qui entraîne une diminution de l'énergie de liaison des paires.
La théorie des paires de Cooper est assez générale et ne repose pas sur des interactions électron-phonon spécifiques. Actuellement, les physiciens 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, mais ces interactions d'appariement n'ont jusqu'à présent 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 ». Au lieu de cela, les états appariés sont énergétiquement optimisés et les électrons ont tendance à entrer et sortir de ces états. John Baderen a souligné :
"Bien que le concept d'électrons appariés ne soit pas tout à fait exact, il capture l'essence de ce phénomène."
Avec l'approfondissement des recherches sur les paires de Cooper, de nouvelles avancées pourraient se produire à l'avenir qui affecteront notre compréhension des phénomènes supraconducteurs. Quelles conditions peuvent favoriser le plus efficacement la formation de paires de Cooper ?
