Language
Country/Area
No result found
Keajaiban Pasangan Elektron: Mengapa Daya Tarik Kecil Dapat Menyebabkan Superkonduktivitas?
Dalam bidang fisika benda terkondensasi, pasangan Cooper atau pasangan BCS (pasangan Bardeen-Cooper-Schriver) adalah sepasang elektron yang bergabung dengan cara tertentu pada suhu rendah. Konsep ini pertama kali diusulkan oleh fisikawan Amerika Leon Cooper pada tahun 1956. Cooper menunjukkan bahwa bahkan dengan daya tarik yang lemah, elektron di dalam logam dapat membentuk keadaan berpasangan dengan energi yang lebih rendah daripada energi Fermi, yang menunjukkan bahwa pasangan tersebut terikat. Dalam superkonduktor tradisional, daya tarik ini muncul dari interaksi antara elektron dan fonon.
Keadaan pasangan Cooper merupakan asal mula fenomena superkonduktivitas, seperti yang dijelaskan oleh teori BCS yang diusulkan oleh John Bardeen, Leon Cooper, dan John Shriver. Oleh karena itu, ketiga ilmuwan tersebut berbagi Penghargaan Nobel 1972. Penghargaan Bell.
Meskipun pasangan Cooper merupakan efek kuantum, konsep dasar mekanisme pasangannya dapat dijelaskan dengan penjelasan klasik yang disederhanakan. Biasanya, elektron dalam logam tampak bergerak bebas, tetapi ditolak oleh muatan negatif di antara keduanya; namun, elektron juga menarik ion positif yang membentuk kisi kristal logam. Daya tarik ini akan merusak ion dalam kisi kristal, sehingga meningkatkan kerapatan muatan positif di area yang dekat dengan elektron, sehingga menarik elektron lainnya. Pada jarak yang lebih jauh, daya tarik antara elektron akibat ion yang tergeser ini berpotensi mengatasi tolakan antara elektron, yang mendorong mereka untuk berpasangan.
Penjelasan mendalam tentang mekanika kuantum menunjukkan bahwa efek ini muncul dari interaksi antara elektron dan fonon, yang merupakan gerakan kolektif muatan positif dalam kisi kristal. Energi interaksi berpasangan cukup kecil, sekitar 0,001 eV, sehingga energi termal dapat dengan mudah memutus pasangan ini. Inilah sebabnya mengapa dalam logam atau substrat lain, pasangan Cooper hanya dapat terbentuk ketika ada lebih banyak elektron pada suhu rendah.
Elektron berpasangan tidak harus selalu berdekatan, karena interaksi ini bersifat jarak jauh. Elektron berpasangan mungkin berjarak ratusan nanometer, dan jarak ini biasanya lebih besar dari jarak elektron rata-rata, yang memungkinkan banyak pasangan Cooper menempati ruang yang sama.
Elektron memiliki spin 1/2, sehingga merupakan fermion, tetapi pasangan Cooper memiliki spin integer (0 atau 1), sehingga membentuk boson komposit. Ini berarti bahwa fungsi gelombang mereka simetris dalam pertukaran partikel. Oleh karena itu, tidak seperti elektron, beberapa pasangan Cooper dapat berada dalam keadaan kuantum yang sama, yang merupakan alasan utama untuk superkonduktivitas.
Teori BCS juga berlaku untuk sistem fermion lainnya, seperti superfluiditas ^3He. Pasangan Cooper juga dianggap sebagai alasan mengapa ^3He superfluid pada suhu rendah. Lebih jauh lagi, pada tahun 2008, dikemukakan bahwa pasangan boson dalam kisi optik mungkin mirip dengan pasangan Cooper. Hal ini menunjukkan bahwa pasangan CooperPasangan r tidak terbatas pada interaksi antara elektron, tetapi juga dapat meluas ke sistem partikel lainnya.
Pembentukan pasangan Cooper menyebabkan semua pasangan Cooper "mengembun" ke keadaan dasar yang sama dalam material, yang merupakan sifat khusus yang ditunjukkan oleh superkonduktivitas.
Cooper awalnya hanya mempertimbangkan pembentukan pasangan yang terisolasi dalam logam, kemudian mengeksplorasi pembentukan beberapa pasangan yang lebih realistis dalam teori BCS dan menemukan bahwa pemasangan menciptakan celah energi dalam spektrum kontinu keadaan energi elektron yang diizinkan. Ini berarti bahwa semua eksitasi sistem perlu memiliki energi minimum tertentu. Celah energi untuk eksitasi ini mengarah pada superkonduktivitas karena eksitasi kecil seperti hamburan elektron dilarang. Celah energi ini berasal dari efek banyak benda yang disebabkan oleh tarikan timbal balik antara elektron.
R.A. Ogg Jr. pertama kali menyarankan bahwa elektron mungkin berperilaku sebagai pasangan yang digandeng oleh getaran kisi, sebuah gagasan yang didukung oleh efek isotop yang diamati dalam superkonduktor. Efek ini menunjukkan bahwa material dengan ion yang lebih berat (isotop nuklir yang berbeda) memiliki suhu transisi superkonduktor yang lebih rendah, yang dapat dijelaskan oleh teori pasangan Cooper: ion yang lebih berat memiliki kemampuan yang lebih lemah untuk menarik dan menggerakkan elektron, yang mengakibatkan energi pengikatan pasangan yang tepat lebih kecil.
Meskipun teori saat ini tidak bergantung pada interaksi elektron-fonon tertentu, ahli teori materi terkondensasi telah mengusulkan mekanisme pasangan berdasarkan interaksi menarik lainnya, seperti interaksi elektron-eksiton atau interaksi elektron-plasma. Sampai saat ini, interaksi pasangan lainnya ini belum diamati dalam material apa pun.
Perlu dicatat bahwa pasangan Cooper tidak melibatkan pasangan elektron individual untuk membentuk "kuasi-boson". Keadaan berpasangannya adalah keadaan elektronik yang dominan secara energetik, dan elektron akan lebih suka bergerak masuk dan keluar dari keadaan ini.
Sebagai inti dari teori berpasangan Cooper, koherensi kuadratik yang terlibat dalam deskripsi matematis telah diusulkan oleh Yang. Dengan potensi kontribusi fenomena superkonduktivitas terhadap pengembangan sains dan teknologi, bagaimana penelitian di masa depan akan menerangi jalan menuju pemahaman superkonduktivitas dan pembentukan pasangan Cooper?
