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전자쌍의 기적: 왜 작은 매력이 초전도성을 일으킬 수 있습니까?
응집물질 물리학 분야에서 쿠퍼 쌍 또는 BCS 쌍(Bardeen-Cooper-Scriver 쌍)은 저온에서 특정 방식으로 결합하는 전자 쌍입니다. 이 개념은 1956년 미국 물리학자 레온 쿠퍼(Leon Cooper)에 의해 처음 제안되었습니다. 쿠퍼는 약한 인력만으로도 금속 내부의 전자가 페르미 에너지보다 낮은 에너지로 쌍 상태를 형성할 수 있음을 보여 주었으며, 이는 쌍이 묶여 있음을 시사합니다. 전통적인 초전도체에서 이러한 인력은 전자와 포논 사이의 상호 작용에서 발생합니다.
쿠퍼 쌍의 상태는 존 바딘(John Bardeen), 레온 쿠퍼(Leon Cooper), 존 슈라이버(John Shriver)가 제안한 BCS 이론에 설명된 초전도 현상의 기원입니다. 따라서 세 명의 과학자는 1972년 노벨 벨상을 공동 수상했습니다.
쿠퍼 짝짓기는 양자 효과이지만, 짝짓기 메커니즘의 기본 개념은 단순화된 고전적 설명으로 설명할 수 있습니다. 일반적으로 금속 내의 전자는 자유롭게 움직이는 것처럼 보이지만 둘 사이의 음전하에 의해 반발되지만 금속의 결정 격자를 구성하는 양이온도 끌어당깁니다. 이 인력은 결정 격자의 이온을 변형시켜 전자에 가까운 영역의 양전하 밀도를 증가시켜 다른 전자를 끌어당깁니다. 더 먼 거리에서 치환된 이온으로 인한 전자 사이의 인력은 전자 사이의 반발력을 극복하여 쌍을 이룰 가능성이 있습니다.
양자역학에 대한 심층적인 설명을 보면 이 효과는 결정 격자 내 양전하의 집합적인 움직임인 전자와 포논 사이의 상호작용에서 발생한다는 것을 알 수 있습니다. 쌍을 이루는 상호작용의 에너지는 0.001eV 정도로 매우 작으므로 열 에너지로 이러한 쌍을 쉽게 깨뜨릴 수 있습니다. 이것이 금속이나 기타 기판에서 저온에서 더 많은 전자가 있을 때만 쿠퍼 쌍이 형성될 수 있는 이유입니다.
쌍을 이룬 전자들은 반드시 서로 가까이 있을 필요는 없습니다. 왜냐하면 이 상호작용은 장거리에서 이루어지기 때문입니다. 쌍을 이룬 전자들은 수백 나노미터 떨어져 있을 수 있으며, 이 거리는 일반적으로 많은 쿠퍼 쌍들이 서로 가까워질 수 있도록 하는 평균 전자 간격보다 큽니다. 같은 공간을 차지합니다.
전자는 스핀이 1/2이므로 페르미온이지만 쿠퍼 쌍은 정수 스핀(0 또는 1)을 가지므로 복합 보존을 형성합니다. 이는 입자 교환에서 파동 함수가 대칭임을 의미합니다. 따라서 전자와 달리 여러 쿠퍼 쌍이 동일한 양자 상태에 있을 수 있으며 이것이 초전도성의 주요 원인입니다.
BCS 이론은 ^3He의 초유동성과 같은 다른 페르미온 시스템에도 적용 가능합니다. 쿠퍼 쌍은 ^3그가 저온에서 초유체인 이유로도 간주됩니다. 게다가 2008년에는 광학 격자의 보존 쌍이 쿠퍼 쌍과 유사할 수도 있다는 제안이 있었습니다. 이는 쿠퍼 쌍이 전자 간의 상호 작용에만 국한되지 않고 다른 입자 시스템으로 확장될 수도 있음을 시사합니다.
쿠퍼 쌍이 형성되면 모든 쿠퍼 쌍이 물질 내에서 동일한 바닥 상태로 "응축"되는데, 이는 초전도에 의해 나타나는 독특한 특성입니다.
Cooper는 처음에는 금속 내에서 고립된 쌍의 형성만을 고려한 다음 BCS 이론에서 보다 현실적인 다중 쌍의 형성을 탐구하여 전자의 허용 에너지 상태의 연속 스펙트럼에서 쌍이 에너지 격차를 생성한다는 것을 발견했습니다. 시스템의 모든 여기는 특정 최소 에너지를 가져야 합니다. 여기를 위한 이러한 에너지 격차는 전자 산란과 같은 작은 여기가 금지되기 때문에 초전도성을 초래합니다. 이러한 에너지 격차는 전자 사이의 상호 인력으로 인해 발생하는 다체 효과에서 비롯됩니다.
R.A. Ogg Jr.는 처음으로 전자가 격자 진동에 의해 쌍으로 행동할 수 있다고 제안했는데, 이는 초전도체에서 관찰되는 동위원소 효과에 의해 뒷받침되는 개념입니다. 이 효과는 더 무거운 이온(다른 핵 동위원소)을 가진 물질이 더 낮은 초전도 전이 온도를 갖는다는 것을 보여주며, 이는 쿠퍼 쌍 이론으로 설명할 수 있습니다. 더 무거운 이온은 전자를 끌어당기고 이동시키는 능력이 약해 오른쪽의 결합 에너지가 발생합니다. 쌍이 더 작습니다.현재 이론은 특정 전자-포논 상호작용에 의존하지 않지만, 응집물질 이론가들은 전자-여기자 상호작용 또는 전자-플라즈마 상호작용과 같은 다른 매력적인 상호작용을 기반으로 한 쌍 메커니즘을 제안했습니다. 현재로서는 이러한 다른 페어링 상호 작용은 어떤 물질에서도 관찰되지 않았습니다.
쿠퍼 쌍이 "준보존(quasi-boson)"을 형성하기 위해 개별 전자 쌍을 이루는 것을 포함하지 않는다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 쌍을 이룬 상태는 에너지적으로 지배적인 전자 상태이며, 전자는 우선적으로 이러한 상태 안팎으로 이동할 것입니다.
쿠퍼 짝짓기 이론의 핵심으로 양(Yang)은 수학적 설명에 포함되는 이차 일관성을 제안했습니다. 초전도 현상이 과학과 기술 발전에 잠재적으로 기여할 수 있는 상황에서, 미래의 연구는 초전도와 쿠퍼쌍 형성을 이해하는 길을 어떻게 밝힐 것입니까?
