Language
Country/Area
No result found
Senjata rahasia superkonduktivitas: Mengapa pasangan Cooper dapat mencegah elektron bertabrakan?
Dalam fisika benda padat, pasangan Cooper, juga dikenal sebagai pasangan BCS (pasangan Badren-Cooper-Schriever), diusulkan oleh fisikawan Amerika Leon Cooper pada tahun 1956, mengacu pada pasangan elektron yang terikat bersama dengan cara tertentu pada suhu rendah. Fenomena ini mengungkap prinsip dasar pengoperasian superkonduktor.
Cooper menunjukkan bahwa gaya tarik yang kecil pun cukup untuk menyebabkan elektron dalam logam berpasangan, dan energi pasangan tersebut akan lebih rendah daripada energi Fermi, yang berarti bahwa pasangan tersebut terikat.
Dalam superkonduktor tradisional, daya tarik ini terutama berasal dari interaksi antara elektron dan fonon. Keadaan pasangan Cooper merupakan asal mula superkonduktivitas, sebuah teori yang dikembangkan oleh John Baderyan, Leon Cooper, dan John Schriever, yang karenanya mereka memenangkan Hadiah Nobel pada tahun 1972.
Meskipun pasangan Cooper merupakan efek kuantum, penyebabnya dapat dilihat dalam penjelasan klasik yang disederhanakan. Elektron dalam logam biasanya berperilaku seperti partikel bebas. Karena muatan negatifnya, elektron saling tolak, tetapi mereka juga menarik ion positif yang membentuk kisi kristal kaku logam. Gaya tarik ini dapat mendistorsi kisi ion, menyebabkan ion bergerak sedikit ke arah elektron, sehingga meningkatkan kerapatan muatan positif di dekatnya.
Muatan positif ini menarik elektron lainnya. Pada jarak yang lebih jauh, tarikan antara elektron yang disebabkan oleh ion yang bergerak dapat mengatasi efek tolak-menolak di antara mereka, sehingga menghasilkan pasangan elektron.
Interpretasi mekanika kuantum yang ketat menunjukkan bahwa efek berpasangan ini disebabkan oleh interaksi antara elektron dan fonon. Meskipun energi interaksi berpasangan cukup lemah, sekitar 10 elektron terikat dalam pasangan Cooper.
Elektron dalam pasangan Cooper tidak selalu berdekatan satu sama lain karena interaksinya terjadi dalam jarak yang jauh dan jarak antara elektron yang berpasangan mungkin terpisah ratusan nanometer. Jarak ini biasanya lebih besar dari jarak elektron rata-rata, sehingga banyak pasangan Cooper dapat menempati ruang yang sama.
Elektron memiliki spin 1/2, jadi mereka adalah fermion; namun, total spin pasangan Cooper adalah bilangan bulat (0 atau 1), yang berarti itu adalah boson kombinatorial, yang membuat fungsi gelombangnya simetris.
Ini berarti bahwa tidak seperti elektron, banyak pasangan Cooper dapat berada dalam keadaan kuantum yang sama pada saat yang sama, yang merupakan akar penyebab superkonduktivitas. Teori BCS juga berlaku untuk sistem fermion lainnya, seperti helium-3. Faktanya, pasangan Cooper juga berkontribusi terhadap superfluiditas helium-3 pada suhu rendah.
Pada tahun 2008, para ilmuwan mengusulkan bahwa pasangan boson dalam kisi optik mungkin mirip dengan pasangan Cooper. Perspektif baru ini membuka lebih banyak arah penelitian.
Hubungan antara pasangan Cooper dan superkonduktivitas
Kecenderungan semua pasangan Cooper untuk "mengembun" ke dalam keadaan dasar yang sama dalam suatu objek merupakan sumber sifat-sifat aneh superkonduktivitas. Cooper awalnya hanya mempertimbangkan pembentukan pasangan-pasangan yang terisolasi, tetapi ketika keadaan pasangan multielektron yang lebih realistis diteliti, seperti yang diilustrasikan oleh teori BCS, pasangan membuka celah energi dalam kontinum keadaan energi yang diizinkan untuk elektron, yang berarti bahwa semua eksitasi sistem harus memiliki beberapa energi minimum.
Celah energi eksitasi ini memungkinkan terjadinya superkonduktivitas karena eksitasi kecil seperti hamburan elektron dilarang.
Celah energi terjadi karena efek banyak benda yang disebabkan oleh tarikan yang dirasakan antara elektron. R.A. Ogg Jr. pertama kali mengusulkan bahwa elektron dapat bertindak sebagai pasangan yang digabungkan oleh getaran kisi suatu material, sebuah teori yang juga dikonfirmasi oleh efek isotop dalam superkonduktor. Efek ini menunjukkan bahwa material dengan ion berat (isotop nuklir berbeda) akan memiliki suhu transisi superkonduktor yang lebih rendah, yang dapat dijelaskan oleh teori pasangan Cooper: ion berat lebih sulit menarik dan menggerakkan elektron, yang menyebabkan energi ikatan pasangan menurun.
Teori pasangan Cooper cukup umum dan tidak bergantung pada interaksi elektron-fonon tertentu. Saat ini, fisikawan materi terkondensasi telah mengusulkan mekanisme pasangan berdasarkan interaksi menarik lainnya, seperti interaksi elektron-eksiton atau interaksi elektron-plasma, tetapi interaksi pasangan ini belum diamati dalam material apa pun sejauh ini.
Perlu dicatat bahwa pasangan Cooper tidak melibatkan pasangan elektron individual untuk membentuk "kuasi-boson". Sebaliknya, keadaan berpasangan dioptimalkan secara energetik, dan elektron cenderung bergerak masuk dan keluar dari keadaan ini. John Baderen menekankan:
“Meskipun konsep elektron berpasangan tidak sepenuhnya akurat, konsep ini menangkap esensi fenomena ini.”
Dengan semakin mendalamnya penelitian tentang pasangan Cooper, mungkin akan ada terobosan baru di masa mendatang yang akan memengaruhi pemahaman kita tentang fenomena superkonduktor. Kondisi apa yang paling efektif untuk mendorong pembentukan pasangan Cooper?
