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なぜクーパー対は物理法則に反するのでしょうか? 電子対がどのように抵抗のない電気の流れを生み出すのかを発見してください!
凝縮物質物理学において、クーパー対は低温で電子（または他のフェルミオン）によって結合した粒子の対です。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。クーパーの研究は、たとえ小さな引力であっても電子対を結合させることができ、その総エネルギーはフェルミエネルギーを下回り、電子対が安定していることを示唆していることを示した。従来の超伝導体では、この引力は主に電子-フォノン相互作用から生じます。
「クーパー対は超伝導の中心であり、この状態によって材料は抵抗なく電流を流すことができるのです。」
クーパー対の挙動は量子効果ですが、単純化された古典的な説明を通じてその原因を理解することができます。金属では、電子は通常、自由粒子として考えられます。通常の状況では、電子は負の電荷を持っているため互いに反発しますが、同時に金属の硬い格子を形成する正イオンも引き付けます。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動き、その領域の正電荷密度が増加します。この正電荷は他の電子を引き付けます。長距離では、イオンの偏向によって生じる引力が電子間の反発力を上回り、電子がペアになることがあります。
「このペアの相互作用エネルギーは非常に弱く、約 10-3 eV です。」
もちろん、この電子対形成は金属やその他の基質において低温でのみ顕著に発生します。クーパー対では、電子の相互作用は離れていてもかまいませんが、必ずしも電子同士が非常に近い距離にある必要はありません。ペアになった電子は数百ナノメートル離れている可能性があり、この距離は通常、平均電子間隔よりも大きいため、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フェルミオンであるのに対し、クーパー対は整数の合計スピン（0または1）を持ち、複合ボソンとなるため、その波動関数は、粒子が対称的であることを意味する。交換されました。
したがって、クーパー対の存在により、同じ量子状態で複数のクーパー対を持つことが可能になり、これが超伝導現象の鍵となります。 BCS 理論は、超伝導体に加えて、超流動ヘリウム 3 などの他のフェルミオン系にも適用できます。実際、クーパー対は低温でヘリウム 3 を超流動化させます。 2008 年に、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いう概念を提唱しました。
「クーパー対の形成には、格子振動と結合した増幅効果が関与しています。」
システム内のすべてのクーパー対が同じ基底状態に「凝縮」する傾向は、超伝導特性の根本的な理由です。クーパーは当初、金属中の孤立電子対の形成のみを考慮していました。しかし、より現実的なシナリオでは、複数の電子対の形成を考慮すると、この対形成は電子の許容エネルギー状態の連続体にエネルギーギャップを開くことがわかり、これはシステムのすべての励起が一定量でなければならないことを意味する。エネルギーの。この励起ギャップにより、電子の散乱などの小さな励起が禁止されるため、超伝導状態が実現します。このギャップは、電子間の引力と多体効果の結果として現れます。
R. A. オッグ・ジュニアは、物質内の格子振動を通じて電子がペアで結合できると初めて提唱しました。これは超伝導体で観察される同位体効果によって実証されています。この効果は、より重いイオン（異なる核同位体）を持つ材料の方が超伝導遷移温度が低くなることを示しています。これはクーパー対形成の理論によって説明できます。イオンが重くなると、電子の引力と移動が困難になり、対形成の結合エネルギーが小さくなります。
「クーパー対形成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。」
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、これらの他のペアリング相互作用はまだどの物質でも観察されていません。クーパー対形成では、個々の電子が対になって「準ボソン」を形成するわけではないことに注意が必要です。ペア状態はエネルギー的に優先され、電子は優先的にこれらの状態に出入りします。これは、ジョン・バーディーン氏が強調した微妙な違いです。「これは電子対の概念を技術的に正確に説明したものではありませんが、それでもその本質を捉えています。」
このシステムをより深く理解することで、材料の物理学に対する理解が変わるだけでなく、将来の技術進歩に無限の可能性がもたらされます。人類はより高い温度範囲で同じ超伝導現象を発見し、エネルギーの未来を変えることができるでしょうか?
