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クーパー対と超流動：ヘリウム3の超流動現象の背後にある量子の魔法！
凝縮物質物理学において、クーパー対は、低温条件下で特定の方法で結合した 2 つの電子 (または他のフェルミオン) によって形成される対です。この現象は1956年にアメリカの物理学者レオン・クーパーによって初めて説明されました。クーパーは、弱い引力であっても、電子がフェルミエネルギーよりも低いエネルギーでペア状態を形成できることを示しました。これは、形成されたペアがこの強い相互作用によって存在することを意味します。
従来の超伝導体では、この引力は主に電子-フォノン相互作用から生じます。
クーパー対は超伝導の基礎となる理論で、ジョン・バーディーン、レオン・クーパー、ジョン・シュリーファーの3人によって開発され、3人は1972年にこの理論でノーベル賞を共同受賞しました。クーパー対形成は量子効果ですが、その原因は単純化された古典的な説明で理解できます。
金属内では、電子は通常、自由粒子として動き回ります。電子の負電荷は互いに反発しますが、同時に金属格子を構成する陽イオンを引き付けます。この引力により陽イオン格子が変形し、陽イオンが電子の近くにわずかに移動するため、近くの正電荷密度が増加します。このような正電荷は他の電子を引き付けることができます。長距離では、置換された陽イオンによるこの引力が電子間の反発力を克服し、電子がペアを形成します。
ペアリング相互作用のエネルギーは 10-3 eV 程度と非常に弱いため、熱エネルギーによってこれらのペアは簡単に破壊されます。
したがって、金属やその他のマトリックス内の低温でのみ、電子がクーパー対としてかなりの数存在します。ペアになった電子は互いに非常に近い位置にいる必要はないことに注意することが重要です。相互作用は長距離であるため、ペアになった電子は数百ナノメートル離れていてもかまいません。これは通常、電子間の平均距離よりも大きいため、多くのクーパー対が同じ空間を占めることができます。
電子はスピン 1/2 を持つためフェルミオンですが、クーパー対は合計スピンが整数 (0 または 1) であるため複合ボソンです。これは、粒子交換の下では、クーパー対の波動関数が対称であることを意味します。したがって、電子とは異なり、複数のクーパー対が同じ量子状態で共存することができ、これが超伝導現象の根本的な理由です。
BCS 理論は、ヘリウム 3 などの他のフェルミオン系にも適用されます。実際、クーパー対は低温でヘリウム 3 を超流動化するものです。科学が進歩するにつれて、多くの物理学者も光格子内のボソン対がクーパー対に似ているかもしれないと提唱してきました。
クーパー対と超伝導の関係
すべてのクーパー対が同じ基底量子状態に凝縮する傾向が、超伝導の奇妙な特性の源です。クーパーは当初、金属における孤立電子対の形成のみを考慮していましたが、より現実的な多電子対形成の場合、完全な BCS 理論により、対形成によって許容される電子エネルギー状態の連続体にギャップが生じることが示されました。つまり、すべての励起状態には、何らかの最小エネルギーがなければならないということです。
この励起のエネルギーギャップにより、電子散乱などの小さな励起は不可能になります。
このエネルギーギャップは、電子が感じる相互引力によって引き起こされる多体効果によって発生します。 R.A. オッグ・ジュニアは、電子が格子振動によって対になる可能性があると初めて提唱しました。この考えは、超伝導体で観察される同位体効果に反映されています。同位体効果は、より重い陽イオンを含む物質は超伝導遷移温度が低いことを示しています。これは、クーパー対理論によって説明できます。重い陽イオンは電子を引き付けて移動させることがより困難であり、その結果、対エネルギーが小さくなります。
クーパー対理論は非常に一般的なもので、特定の電子-フォノン相互作用に依存しません。凝縮物質物理学者は、電子-励起子相互作用や電子-プラズモン相互作用など、他の引力相互作用に基づくペアリングメカニズムを提案してきましたが、これまでのところ、これらの他のペアリング相互作用の例はどの物質でも観察されていません。
クーパー対形成は、単一の電子が対になって「準ボソン」を形成するものではなく、より多くの利点と、これらの状態に出入りする電子の優先順位を備えた対形成状態であることに言及する価値があります。
これは、ジョン・バーディーンの区別において特に顕著であり、ヤングは「電子対の概念は、完全に正確ではないが、現象の本質を捉えている」と指摘した。
クーパー対の発見は超伝導の基礎を築いただけでなく、ヘリウム3の超流動性を理解するための神秘的な量子の窓を開いた。量子物理学は将来、物質の特性についての理解をどのようにさらに進歩させるのでしょうか?
