Language
Country/Area
No result found
Pasangan Cooper dan superfluiditas: keajaiban kuantum di balik fenomena superfluiditas helium-3!
Dalam fisika benda terkondensasi, pasangan Cooper adalah pasangan yang dibentuk oleh dua elektron (atau fermion lain) yang digabungkan dengan cara tertentu dalam kondisi suhu rendah. Fenomena ini pertama kali dijelaskan oleh fisikawan Amerika Leon Cooper pada tahun 1956. Cooper menunjukkan bahwa bahkan gaya tarik yang lemah dapat menyebabkan elektron membentuk keadaan berpasangan dengan energi yang lebih rendah daripada energi Fermi. Ini berarti bahwa pasangan yang terbentuk ada karena interaksi yang kuat ini.
Dalam superkonduktor konvensional, gaya tarik ini muncul terutama dari interaksi elektron-fonon.
Pasangan Cooper adalah landasan superkonduktivitas, sebuah teori yang dikembangkan oleh John Bardeen, Leon Cooper, dan John Schrieffer, yang membuatnya mendapatkan Penghargaan Nobel pada tahun 1972. Meskipun pasangan Cooper adalah efek kuantum, penyebab pasangan tersebut dapat dipahami menggunakan penjelasan klasik yang disederhanakan.
Dalam logam, elektron biasanya bergerak sebagai partikel bebas. Muatan negatif elektron saling tolak, tetapi pada saat yang sama mereka juga menarik kation yang membentuk kisi logam. Daya tarik ini menyebabkan deformasi kisi kation, menggerakkan kation sedikit di dekat elektron dan dengan demikian meningkatkan kerapatan muatan positif di dekatnya. Muatan positif seperti itu dapat menarik elektron lain. Dalam jarak yang jauh, gaya tarik ini karena kation yang dipindahkan mengatasi gaya tolak antara elektron, menyebabkan mereka berpasangan.
Energi interaksi berpasangan sangat lemah, sekitar 10-3 eV, sehingga energi termal dapat dengan mudah menghancurkan pasangan ini.
Jadi, hanya pada suhu rendah, dalam logam dan matriks lainnya, elektron ada dalam jumlah yang signifikan sebagai pasangan Cooper. Penting untuk dicatat bahwa elektron berpasangan tidak harus sangat dekat satu sama lain. Karena interaksinya jarak jauh, elektron yang berpasangan masih dapat terpisah ratusan nanometer, yang biasanya lebih besar dari jarak rata-rata antar elektron, sehingga banyak pasangan Cooper dapat menempati ruang yang sama.
Elektron memiliki spin 1/2, sehingga merupakan fermion, tetapi pasangan Cooper memiliki total spin integer (0 atau 1), sehingga merupakan boson komposit. Ini berarti bahwa di bawah pertukaran partikel, fungsi gelombang pasangan Cooper bersifat simetris. Oleh karena itu, tidak seperti elektron, beberapa pasangan Cooper dapat hidup berdampingan dalam keadaan kuantum yang sama, yang merupakan alasan mendasar bagi fenomena superkonduktivitas.
Teori BCS juga berlaku untuk sistem fermion lainnya, seperti helium-3. Faktanya, pasangan Cooper adalah yang membuat helium-3 menjadi superfluida pada suhu rendah. Seiring kemajuan sains, banyak fisikawan juga mengusulkan bahwa pasangan bosonik dalam kisi optik mungkin mirip dengan pasangan Cooper.
Hubungan antara pasangan Cooper dan superkonduktivitas
Kecenderungan semua pasangan Cooper untuk mengembun ke dalam keadaan kuantum dasar yang sama adalah sumber dari sifat aneh yang tepatikatan superkonduktivitas. Cooper awalnya hanya mempertimbangkan pembentukan pasangan elektron bebas dalam logam, tetapi dalam kasus pembentukan pasangan multielektron yang lebih realistis, teori BCS lengkap menunjukkan bahwa pemasangan membuka celah dalam kontinum keadaan energi elektronik yang diizinkan, yang berarti bahwa semua keadaan tereksitasi harus memiliki beberapa energi minimum.
Kesenjangan energi eksitasi ini membuat eksitasi kecil, seperti hamburan elektron, menjadi tidak mungkin.
Kesenjangan energi ini muncul karena efek banyak benda yang disebabkan oleh tarik-menarik timbal balik yang dirasakan oleh elektron. R.A. Ogg Jr. pertama kali mengusulkan bahwa elektron dapat berpasangan melalui getaran kisi, sebuah gagasan yang tercermin dalam efek isotop yang diamati dalam superkonduktor. Efek isotop menunjukkan bahwa bahan dengan kation yang lebih berat memiliki suhu transisi superkonduktor yang lebih rendah, yang dapat dijelaskan oleh teori pemasangan Cooper: kation berat lebih sulit untuk menarik dan menggerakkan elektron, sehingga menghasilkan energi pemasangan yang lebih kecil.
Teori pasangan Cooper cukup umum dan tidak bergantung pada interaksi elektron-fonon tertentu. Fisikawan materi terkondensasi telah mengusulkan mekanisme pasangan berdasarkan interaksi menarik lainnya, seperti interaksi elektron-eksiton atau interaksi elektron-plasmon, tetapi sejauh ini tidak ada contoh interaksi pasangan lainnya yang diamati dalam materi apa pun.
Perlu disebutkan bahwa pasangan Cooper bukanlah pasangan elektron tunggal untuk membentuk "kuasi-boson", tetapi lebih merupakan keadaan pasangan dengan lebih banyak keuntungan dan prioritas elektron yang masuk dan keluar dari keadaan ini.
Hal ini khususnya terbukti dalam pembedaan John Bardeen, yang dibuat oleh Young, yang mencatat bahwa "konsep elektron berpasangan, meskipun tidak sepenuhnya tepat, menangkap esensi fenomena tersebut."
Penemuan pasangan Cooper tidak hanya meletakkan dasar bagi superkonduktivitas, tetapi juga membuka jendela kuantum misterius bagi pemahaman kita tentang superfluiditas helium-3. Bagaimana fisika kuantum akan lebih memajukan pemahaman kita tentang sifat-sifat material di masa depan?
