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Il miracolo dell'accoppiamento elettronico: perché piccole attrazioni possono causare la superconduttività?
Nel campo della fisica della materia condensata, una coppia di Cooper o coppia BCS (coppia Bardeen-Cooper-Schriver) è una coppia di elettroni che si combinano in modo specifico a basse temperature. Questo concetto fu proposto per la prima volta dal fisico americano Leon Cooper nel 1956. Cooper dimostrò che anche con una debole attrazione, gli elettroni all'interno di un metallo possono formare uno stato di coppia con un'energia inferiore all'energia di Fermi, suggerendo che la coppia è legata. Nei superconduttori tradizionali, questa attrazione nasce dall'interazione tra elettroni e fononi.
Lo stato delle coppie di Cooper è all'origine del fenomeno della superconduttività, come descritto dalla teoria BCS proposta da John Bardeen, Leon Cooper e John Shriver. I tre scienziati condivisero quindi il Premio Nobel nel 1972.
Sebbene l'accoppiamento di Cooper sia un effetto quantistico, il concetto di base del suo meccanismo di accoppiamento può essere spiegato con una spiegazione classica semplificata. Normalmente, gli elettroni all'interno di un metallo sembrano muoversi liberamente, ma vengono respinti dalle cariche negative tra di loro; tuttavia, attraggono anche gli ioni positivi che compongono il reticolo cristallino del metallo; Questa attrazione deformerà gli ioni nel reticolo cristallino, aumentando così la densità di carica positiva nell'area vicina agli elettroni, attirando così altri elettroni. A distanze maggiori, questa attrazione tra gli elettroni dovuta agli ioni spostati ha il potenziale per superare la repulsione tra gli elettroni, spingendoli ad accoppiarsi.
Una spiegazione approfondita della meccanica quantistica mostra che questo effetto deriva dall'interazione tra elettroni e fononi, che sono il movimento collettivo di cariche positive nel reticolo cristallino. L'energia delle interazioni di accoppiamento è piuttosto piccola, dell'ordine di 0,001 eV, quindi l'energia termica può facilmente rompere queste coppie. Questo è il motivo per cui nei metalli o in altri substrati le coppie di Cooper si possono formare solo quando ci sono più elettroni a basse temperature.
Gli elettroni accoppiati non devono necessariamente essere vicini, perché questa interazione è a lungo raggio. Gli elettroni accoppiati possono essere distanti centinaia di nanometri e questa distanza è solitamente maggiore della spaziatura media degli elettroni, il che consente a molte coppie di Cooper di formarsi. occupare lo stesso spazio.
Gli elettroni hanno spin 1/2, quindi sono fermioni, ma le coppie di Cooper hanno spin intero (0 o 1), quindi formano bosoni compositi. Ciò significa che le loro funzioni d'onda sono simmetriche nello scambio di particelle. Pertanto, a differenza degli elettroni, più coppie di Cooper possono trovarsi nello stesso stato quantico, che è la ragione principale della superconduttività.
La teoria BCS è applicabile anche ad altri sistemi di fermioni, come la superfluidità di ^3He. L'accoppiamento di Cooper è anche considerato il motivo per cui ^3He è superfluido alle basse temperature. Inoltre, nel 2008, è stato suggerito che le coppie di bosoni nel reticolo ottico potrebbero essere simili alle coppie di Cooper. Ciò suggerisce che le coppie di Cooper non si limitano alle interazioni tra elettroni, ma possono estendersi anche ad altri sistemi di particelle.
La formazione delle coppie di Cooper fa sì che tutte le coppie di Cooper si "condensino" nello stesso stato fondamentale all'interno del materiale, che è una proprietà peculiare esibita dalla superconduttività.
Cooper inizialmente considerò solo la formazione di coppie isolate all'interno del metallo, poi esplorò la formazione più realistica di coppie multiple nella teoria BCS e scoprì che l'accoppiamento crea un gap energetico nello spettro continuo degli stati energetici consentiti degli elettroni tutte le eccitazioni del sistema devono avere una certa energia minima. Questo gap energetico per le eccitazioni porta alla superconduttività perché sono proibite piccole eccitazioni come la diffusione degli elettroni. Questo divario energetico deriva dall'effetto molti corpi causato dalla mutua attrazione tra gli elettroni.
R.A. Ogg Jr. per primo suggerì che gli elettroni potrebbero comportarsi come coppie accoppiate da vibrazioni reticolari, un'idea supportata dagli effetti isotopici osservati nei superconduttori. Questo effetto mostra che i materiali con ioni più pesanti (diversi isotopi nucleari) hanno temperature di transizione superconduttrici più basse, il che può essere spiegato dalla teoria dell'accoppiamento di Cooper: gli ioni più pesanti hanno una capacità più debole di attrarre e spostare gli elettroni, il che si traduce in la coppia è più piccola.
Sebbene le teorie attuali non si basino su specifiche interazioni elettrone-fonone, i teorici della materia condensata hanno proposto meccanismi di accoppiamento basati su altre interazioni attraenti, come le interazioni elettrone-eccitone o le interazioni elettrone-plasma. A partire da ora, queste altre interazioni di accoppiamento non sono state osservate in nessun materiale.
Vale la pena notare che l'accoppiamento di Cooper non implica l'accoppiamento di singoli elettroni per formare "quasi-bosoni". Il suo stato accoppiato è lo stato elettronico energeticamente dominante e gli elettroni si muoveranno preferenzialmente dentro e fuori da questi stati.
Come nucleo della teoria dell'accoppiamento di Cooper, la coerenza quadratica coinvolta nella descrizione matematica è stata proposta da Yang. Considerato il potenziale contributo dei fenomeni di superconduttività allo sviluppo della scienza e della tecnologia, in che modo la ricerca futura illuminerà il percorso verso la comprensione della superconduttività e della formazione delle coppie di Cooper?
