Language
Country/Area
No result found
Pourquoi les paires de Cooper enfreignent-elles les lois de la physique ? Découvrez comment l'appariement d'électrons crée un courant sans résistance !
En physique de la matière condensée, les paires de Cooper sont des paires de particules liées entre elles par des électrons (ou d'autres fermions) à basse température. Ce phénomène a été décrit pour la première fois par le physicien américain Leon Cooper dès 1956. Les travaux de Cooper ont montré que même de minuscules forces attractives peuvent provoquer la liaison de paires d'électrons, et que leur énergie totale sera inférieure à l'énergie de Fermi, ce qui suggère que la paire est stable. Dans les supraconducteurs conventionnels, cette attraction provient principalement des interactions électron-phonon.
« Les paires de Cooper sont au cœur de la supraconductivité, et c'est cet état qui donne aux matériaux la capacité de transporter le courant électrique sans résistance. »
Bien que le comportement des paires de Cooper soit un effet quantique, nous pouvons comprendre sa cause grâce à une explication classique simplifiée. Dans les métaux, les électrons sont généralement considérés comme des particules libres. Dans des circonstances normales, les électrons se repoussent en raison de leur charge négative, mais en même temps, ils attirent également les ions positifs qui forment le réseau rigide du métal. Cette attraction déforme le réseau ionique, provoquant un léger déplacement des ions vers les électrons, augmentant ainsi la densité de charge positive dans cette zone. Cette charge positive attire d’autres électrons. Sur de longues distances, la force d'attraction provoquée par la déviation des ions peut surmonter la répulsion entre les électrons, les obligeant à s'associer.
"L'énergie d'interaction de cette paire est assez faible, environ 10-3 eV."
Bien entendu, ce couplage d’électrons ne se produit de manière significative que dans les métaux ou autres substrats à basse température. Dans les paires de Cooper, bien que les interactions des électrons puissent être distantes, cela ne signifie pas qu'elles doivent être très proches les unes des autres. Les électrons appariés peuvent toujours être distants de plusieurs centaines de nanomètres, une distance généralement supérieure à l'espacement électronique moyen, de sorte que de nombreuses paires de Cooper peuvent occuper le même espace. Il convient de noter que l'électron est un fermion de spin 1/2, tandis que les paires de Cooper ont un spin total entier (0 ou 1), ce qui en fait des bosons composites, ce qui signifie que leur fonction d'onde est Les particules sont symétriques lorsqu'elles sont interchangé.
Ainsi, l'existence de paires de Cooper permet d'avoir plusieurs paires de Cooper dans le même état quantique, ce qui est la clé du phénomène de supraconductivité. Outre les supraconducteurs, la théorie BCS peut également être appliquée à d’autres systèmes de fermions, tels que l’hélium-3 superfluide. En fait, le couplage de Cooper rend également l’hélium-3 superfluide à basse température. En 2008, des scientifiques ont proposé le concept selon lequel les paires de bosons dans les réseaux optiques pourraient être similaires aux paires de Cooper.
« La formation de paires de Cooper implique un effet d'amplification couplé à des vibrations du réseau. »
La tendance de toutes les paires de Cooper dans un système à « se condenser » dans le même état fondamental est la raison fondamentale de la propriété de supraconductivité. Cooper a initialement envisagé uniquement la formation de paires d’électrons isolés dans les métaux. Mais dans un scénario plus réaliste, lorsque la formation de plusieurs paires d'électrons est envisagée, on constate que cette association ouvre un écart énergétique dans le continuum des états énergétiques autorisés pour les électrons, ce qui signifie que toutes les excitations du système doivent avoir une certaine quantité d'énergie. Cet écart d'excitation conduit à la supraconductivité car les petites excitations, telles que la diffusion des électrons, sont interdites. Cet écart apparaît en raison des forces d’attraction ressenties entre les électrons et de l’effet à plusieurs corps.
R. A. Ogg Jr. a été le premier à proposer que les électrons puissent se coupler par paires grâce aux vibrations du réseau d'un matériau. Ceci est démontré par l’effet isotopique observé 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. Ceci peut s'expliquer par la théorie de l'appariement de Cooper : les ions plus lourds créent de plus grandes difficultés pour l'attraction et le mouvement des électrons, ce qui conduit à une énergie de liaison d'appariement plus faible.
« La théorie de l'appariement de Cooper est assez générale et ne dépend pas d'une interaction électron-phonon spécifique. »
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-plasmon, mais ces autres interactions d'appariement n'ont pas encore été observées dans aucun matériau. Il convient de mentionner que l'appariement de Cooper n'implique pas l'appariement d'électrons individuels pour former des « quasi-bosons ». Les états appariés sont énergétiquement préférés et les électrons entreront et sortiront préférentiellement de ces états. Il s'agit d'une distinction subtile que John Bardeen a soulignée : « Bien qu'il ne s'agisse pas d'une description techniquement précise du concept d'appariement d'électrons, elle en capture néanmoins l'essence. »
Une compréhension plus approfondie de ce système modifie non seulement notre compréhension de la physique des matériaux, mais offre également des possibilités illimitées pour les avancées technologiques futures. Les humains peuvent-ils découvrir le même phénomène de supraconductivité dans une gamme de températures plus élevée, changeant peut-être notre avenir énergétique ?
