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超伝導の秘密兵器: なぜクーパー対は電子の衝突を防ぐことができるのでしょうか?
クーパーは、たとえ小さな引力であっても、金属内の電子がフェルミエネルギー以下のエネルギーでペアになり、ペアが結合するのに十分であることを示した。
従来の超伝導体では、この引力は主に電子とフォノンの相互作用によって生じます。クーパー対は超伝導の根源であり、ジョン・バドレン、レオン・クーパー、ジョン・シュリーファーによって開発された理論で、3人は1972年にノーベル賞を受賞しました。
クーパー対は量子効果ですが、その原因は単純化された古典的な説明から理解できます。金属内の電子は通常、自由粒子のように振る舞います。電子は負に帯電しているため、互いに反発しますが、金属の硬い格子を構成する正イオンを引き付けます。この引力によりイオン格子が歪み、イオンが電子に向かってわずかに移動するため、近くの正電荷の密度が増加します。
この正電荷は他の電子を引き付けます。距離が長くなると、移動するイオンによって生じる電子間の引力が電子間の反発力を上回り、電子対が形成される可能性があります。
厳密な量子力学的解釈によれば、このペアリング効果は電子とフォノンの相互作用によって引き起こされることがわかります。ペアリング相互作用のエネルギーは10−3 eV程度と非常に弱いが、熱エネルギーによってペアリングが分解される傾向があるため、金属やその他のマトリックスでは、電子はクーパー対に結合します。
電子はスピン 1/2 を持っているため、フェルミオンです。ただし、クーパー対の合計スピンは整数 (0 または 1) であるため、複合ボソンであり、その波動関数の交換は対称的になります。
これは、電子とは異なり、多くのクーパー対が同時に同じ量子状態になることができることを意味し、これが超伝導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のヘリウム3の超流動にも寄与しています。
2008 年、科学者たちは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、この新しい視点により、より多くの研究の方向性が開かれました。
クーパー対と超伝導物体内のすべてのクーパー対が同じ基底状態に「凝縮」する傾向が、超伝導の奇妙な特性の源です。クーパーは当初孤立電子対の形成のみを考えていたが、BCS理論で説明されているように、より現実的な多電子対形成状態を研究したところ、対形成は電子の許容エネルギー状態の連続体にギャップを開くことがわかった。これは、システムには最低限のエネルギーが必要です。
この励起エネルギーギャップにより、電子の散乱などの小さな励起が禁止されるため、超伝導が可能になります。
エネルギーギャップは、電子間の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、電子が物質の格子振動によって結合したペアとして振る舞う可能性があると初めて提唱し、この理論は超伝導体の同位体効果によって確認されました。この効果は、重イオン（異なる核同位体）を含む物質は超伝導転移温度が低いことを示し、これはクーパー対理論によって説明できる。重イオンは電子を引き付けて移動することをより困難にし、その結果、ペア。エネルギーが減少します。
クーパー対の理論は非常に一般的なものであり、特定の電子-フォノン相互作用に依存しません。現在、一部の凝縮系物理学者は、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いますが、これらのペアリング相互作用はこれまでどの物質でも観察されていません。
クーパー対形成では、個々の電子がペアになって「準ボソン」を形成するわけではないことに注意する価値があります。対照的に、ペア状態はエネルギー的に最適化されており、電子はこれらの状態を出入りする傾向があります。ジョン・バドレン氏は次のように強調しました。
「電子対の概念は完全に正確ではありませんが、この現象の本質を捉えることができます。」
クーパー対の研究が進むにつれて、将来的には超伝導の理解に影響を与えるような新たなブレークスルーが起こるかもしれません。どのような条件がクーパー対の形成を最も効果的に促進するのでしょうか?
