Language
Country/Area
No result found
Mengapa pasangan Cooper melanggar hukum fisika? Temukan bagaimana pasangan elektron menciptakan aliran listrik tanpa hambatan!
Dalam fisika benda terkondensasi, pasangan Cooper adalah pasangan partikel yang disatukan oleh elektron (atau fermion lain) pada suhu rendah. Situasi ini pertama kali dijelaskan oleh fisikawan Amerika Leon Cooper pada tahun 1956. Penelitian Cooper menunjukkan bahwa tarikan kecil sekalipun dapat menyebabkan pasangan elektron berikatan dan energi totalnya menjadi lebih rendah daripada energi Fermi, yang menunjukkan bahwa pasangan tersebut stabil. Dalam superkonduktor konvensional, tarikan ini muncul terutama dari interaksi elektron-fonon.
"Keadaan pasangan Cooper adalah inti dari fenomena superkonduktor. Keadaan inilah yang memberikan karakteristik aliran arus tanpa hambatan pada material."
Meskipun perilaku pasangan Cooper merupakan efek kuantum, kita dapat memahami alasannya melalui penjelasan klasik yang disederhanakan. Dalam logam, elektron biasanya dianggap sebagai partikel bebas. Dalam keadaan normal, elektron saling tolak karena muatan negatifnya, tetapi mereka juga menarik ion positif yang membentuk kisi kristal logam yang kaku. Daya tarik ini mendistorsi kisi ion, menyebabkan ion bergerak sedikit ke arah elektron, sehingga meningkatkan kerapatan muatan positif di area tersebut. Muatan positif ini dapat menarik elektron lain. Dalam jarak yang jauh, daya tarik yang disebabkan oleh pembelokan ion dapat mengatasi gaya tolak antara elektron, yang menyebabkannya berpasangan.
"Energi interaksi pasangan ini cukup lemah, sekitar 10-3 eV."
Tentu saja, pasangan elektron ini hanya hadir secara signifikan dalam logam atau substrat lain pada suhu rendah. Dalam pasangan Cooper, meskipun elektron dapat berinteraksi sangat jauh, itu tidak berarti mereka harus sangat dekat satu sama lain. Elektron berpasangan mungkin masih terpisah ratusan nanometer, yang biasanya lebih besar dari jarak elektron rata-rata, sehingga banyak pasangan Cooper dapat menempati ruang yang sama. Perlu dicatat bahwa elektron adalah fermion dengan spin 1/2, sedangkan pasangan Cooper memiliki spin integer (0 atau 1), menjadikannya boson komposit, yang berarti bahwa fungsi gelombangnya adalah Partikel simetris saat dipertukarkan.
Oleh karena itu, keberadaan pasangan Cooper memungkinkan untuk memiliki beberapa pasangan Cooper dalam keadaan kuantum yang sama, yang merupakan kunci fenomena superkonduktivitas. Selain superkonduktor, teori BCS dapat diterapkan pada sistem fermion lainnya, seperti helium-3 superfluida. Faktanya, pasangan Cooper juga membuat helium-3 superfluida pada suhu rendah. Pada tahun 2008, para ilmuwan mengusulkan konsep bahwa pasangan boson dalam kisi optik mungkin mirip dengan pasangan Cooper.
"Pembentukan pasangan Cooper melibatkan efek amplifikasi yang digabungkan dengan getaran kisi."
Kecenderungan semua pasangan Cooper dalam suatu sistem untuk "mengembun" ke keadaan dasar yang sama merupakan penyebab mendasar sifat superkonduktor. CooperAwalnya hanya dianggap pembentukan pasangan elektron bebas dalam logam. Namun dalam situasi yang lebih realistis, ketika pembentukan beberapa pasangan elektron diperhitungkan, ditemukan bahwa pasangan ini membuka celah energi dalam kontinum keadaan energi elektron yang diizinkan, yang berarti bahwa semua eksitasi sistem harus memiliki sejumlah energi tertentu. Celah eksitasi ini mengarah pada superkonduktivitas karena eksitasi kecil, seperti hamburan elektron, dilarang. Celah ini terjadi sebagai akibat dari daya tarik yang dirasakan antara elektron dan efek banyak benda.
R. A. Ogg Jr. pertama kali mengusulkan bahwa elektron dapat digabungkan secara berpasangan melalui getaran kisi dalam material. Hal ini ditunjukkan 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. Hal ini dapat dijelaskan oleh teori pasangan Cooper: ion yang lebih berat menyebabkan kesulitan yang lebih besar bagi elektron untuk menarik dan bergerak, yang menghasilkan energi pengikatan pasangan 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-plasma, tetapi interaksi pasangan lainnya ini belum diamati dalam material apa pun. Perlu disebutkan bahwa pasangan Cooper tidak melibatkan pasangan elektron individual untuk membentuk "kuasi-boson." Keadaan berpasangan lebih disukai secara energetik, dan elektron masuk dan meninggalkan keadaan ini secara istimewa. Inilah perbedaan halus yang ditekankan John Bardeen: "Meskipun tidak sepenuhnya akurat secara teknis untuk menggambarkan konsep pasangan elektron, konsep ini tetap menangkap esensinya."
Pemahaman mendalam tentang sistem ini tidak hanya mengubah pemahaman kita tentang sifat fisik material, tetapi juga memberikan kemungkinan tak terbatas untuk kemajuan teknologi di masa mendatang. Dapatkah manusia menemukan fenomena superkonduktor yang sama pada kisaran suhu yang lebih tinggi, yang mungkin mengubah masa depan energi kita?
