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Perché le coppie di Cooper infrangono le leggi della fisica? Scopri come l'accoppiamento degli elettroni crea un flusso senza resistenza!
Nella fisica della materia condensata, le coppie di Cooper sono coppie di particelle legate insieme da elettroni (o altri fermioni) a basse temperature. Questo fenomeno fu descritto per la prima volta dal fisico americano Leon Cooper già nel 1956. Il lavoro di Cooper ha dimostrato che anche piccole forze attrattive possono far sì che coppie di elettroni si leghino tra loro e che la loro energia totale sarà inferiore all'energia di Fermi, il che suggerisce che la coppia è stabile. Nei superconduttori convenzionali, questa attrazione deriva principalmente dalle interazioni elettrone-fonone.
"Le coppie di Cooper sono il cuore della superconduttività, ed è questo stato che conferisce ai materiali la capacità di trasportare corrente elettrica senza resistenza."
Sebbene il comportamento delle coppie di Cooper sia un effetto quantistico, possiamo comprenderne la causa attraverso una spiegazione classica semplificata. Nei metalli, gli elettroni sono solitamente considerati particelle libere. In circostanze normali, gli elettroni si respingono a causa della loro carica negativa, ma allo stesso tempo attraggono anche ioni positivi che formano il reticolo rigido del metallo. Questa attrazione distorce il reticolo ionico, facendo sì che gli ioni si muovano leggermente verso gli elettroni, aumentando la densità di carica positiva in quell'area. Questa carica positiva attrae altri elettroni. Su lunghe distanze, la forza attrattiva causata dalla deviazione degli ioni può superare la repulsione tra gli elettroni, facendo sì che si accoppiano.
"L'energia di interazione di questa coppia è piuttosto debole, circa 10-3 eV."
Naturalmente, questo accoppiamento elettronico si verifica in modo significativo nei metalli o in altri substrati solo a basse temperature. Nelle coppie di Cooper, anche se le interazioni degli elettroni possono essere distanti, ciò non significa che debbano essere molto vicine tra loro. Gli elettroni accoppiati possono comunque trovarsi a centinaia di nanometri di distanza l'uno dall'altro, una distanza che è solitamente maggiore della spaziatura media tra gli elettroni, quindi molte coppie di Cooper possono occupare lo stesso spazio. Vale la pena notare che l'elettrone è un fermione di spin 1/2, mentre le coppie di Cooper hanno uno spin totale intero (0 o 1), il che li rende bosoni compositi, il che significa che la loro funzione d'onda è Le particelle sono simmetriche quando sono scambiati.
Pertanto, l'esistenza di coppie di Cooper rende possibile l'esistenza di più coppie di Cooper nello stesso stato quantistico, che è la chiave del fenomeno della superconduttività. Oltre ai superconduttori, la teoria BCS può essere applicata anche ad altri sistemi fermionici, come l'elio-3 superfluido. Infatti, l'accoppiamento di Cooper rende l'elio-3 superfluido anche a basse temperature. Nel 2008, alcuni scienziati hanno proposto il concetto secondo cui le coppie di bosoni nei reticoli ottici potrebbero essere simili alle coppie di Cooper.
"La formazione di coppie di Cooper comporta un effetto di amplificazione accoppiato a vibrazioni reticolari."
La tendenza di tutte le coppie di Cooper in un sistema a "condensarsi" nello stesso stato fondamentale è la ragione fondamentale della proprietà della superconduttività. Inizialmente Cooper considerò solo la formazione di coppie di elettroni solitari nei metalli. Ma in uno scenario più realistico, quando si considera la formazione di più coppie di elettroni, si scopre che questo accoppiamento apre un divario energetico nel continuum degli stati energetici consentiti per gli elettroni, il che significa che tutte le eccitazioni del sistema devono avere una certa quantità di energia. Questa lacuna di eccitazione porta alla superconduttività perché sono proibite piccole eccitazioni, come la dispersione degli elettroni. Questa lacuna appare come risultato delle forze attrattive percepite tra gli elettroni e dell'effetto molti corpi.
R. A. Ogg Jr. fu il primo a proporre che gli elettroni potessero accoppiarsi a coppie attraverso le vibrazioni reticolari in un materiale. Ciò è dimostrato dall'effetto isotopico osservato nei superconduttori. Questo effetto dimostra che i materiali con ioni più pesanti (diversi isotopi nucleari) hanno temperature di transizione superconduttiva più basse. Ciò può essere spiegato con la teoria dell'appaiamento di Cooper: gli ioni più pesanti creano maggiori difficoltà all'attrazione e al movimento degli elettroni, il che determina una minore energia di legame di accoppiamento.
"La teoria dell'accoppiamento di Cooper è abbastanza generale e non dipende da una specifica interazione elettrone-fonone."
I fisici della materia condensata hanno proposto meccanismi di accoppiamento basati su altre interazioni attrattive, come le interazioni elettrone-eccitone o le interazioni elettrone-plasmone, ma queste altre interazioni di accoppiamento non sono ancora state osservate in nessun materiale. Vale la pena ricordare che l'accoppiamento di Cooper non comporta l'accoppiamento di singoli elettroni per formare "quasi-bosoni". Gli stati accoppiati sono energeticamente preferiti e gli elettroni entreranno e usciranno preferibilmente da questi stati. Si tratta di una sottile distinzione sottolineata da John Bardeen: "Sebbene questa non sia una descrizione tecnicamente accurata del concetto di accoppiamento elettronico, ne cattura comunque l'essenza".
Una comprensione più approfondita di questo sistema non solo cambia la nostra comprensione della fisica dei materiali, ma offre anche possibilità illimitate per futuri progressi tecnologici. Gli esseri umani riusciranno a scoprire lo stesso fenomeno di superconduttività a temperature più elevate, cambiando forse il nostro futuro energetico?
