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초전도성의 비밀 무기: 쿠퍼 쌍이 전자 충돌을 방지할 수 있는 이유는 무엇입니까?
쿠퍼는 아주 작은 인력이라도 금속 내의 전자들을 페르미 에너지보다 낮은 에너지에서 쌍을 이루게 하는 데 충분하다는 것을 보여 주었는데, 이는 쌍이 결합되어 있다는 것을 의미합니다.
기존의 초전도체에서 이러한 인력은 주로 전자와 포논 간의 상호 작용에서 비롯됩니다. 쿠퍼 쌍은 초전도성의 근원이며, 이 이론은 존 배드런, 레온 쿠퍼, 존 슈리퍼가 개발한 것으로, 이들은 1972년에 이 이론으로 노벨상을 수상했습니다.
쿠퍼 페어링은 양자 효과이지만, 그 원인은 단순화된 고전적 설명에서 볼 수 있습니다. 금속 내의 전자는 일반적으로 자유 입자처럼 행동합니다. 전자는 음전하를 띠고 있어 서로 밀어내지만, 금속의 단단한 격자를 구성하는 양이온을 끌어당기기까지 합니다. 이러한 인력은 이온 격자를 왜곡시켜 이온이 전자 쪽으로 약간 이동하게 만들고, 이로 인해 근처의 양전하 밀도가 증가합니다.
이 양전하는 다른 전자를 끌어당깁니다. 더 먼 거리에서는, 이동하는 이온에 의해 발생하는 전자 사이의 인력이 그들 사이의 반발력을 극복하여 전자 쌍을 이룰 수도 있습니다.
엄격한 양자역학적 해석은 이러한 페어링 효과가 전자와 포논 사이의 상호 작용으로 인해 발생한다는 것을 보여줍니다. 쌍 상호작용의 에너지는 10−3 eV 정도로 매우 약하지만 열 에너지는 쌍을 분해하는 경향이 있으므로 금속 및 기타 매트릭스에는 상당한 양만 존재합니다. 전자는 쿠퍼 쌍으로 결합됩니다.
전자는 스핀이 1/2이므로 페르미온입니다. 그러나 쿠퍼 쌍의 총 스핀은 정수(0 또는 1)이므로 합성 보손이며, 이로 인해 파동 함수가 대칭적입니다. 교환은 대칭입니다.
이것은 전자와 달리 많은 쿠퍼 쌍이 동시에 같은 양자 상태에 있을 수 있다는 것을 의미하며, 이것이 초전도성의 근본적인 이유입니다. BCS 이론은 헬륨-3과 같은 다른 페르미온계에도 적용됩니다. 사실, 쿠퍼 페어링은 낮은 온도에서 헬륨-3의 초유동성에 영향을 미칩니다.
2008년, 과학자들은 광학 격자의 보손 쌍이 쿠퍼 쌍과 유사할 수도 있다고 제안했고, 이 새로운 관점은 더 많은 연구 방향을 열어주었습니다.
쿠퍼 쌍과 초전도성물체 내의 모든 쿠퍼 쌍이 동일한 기본 상태로 '응축'되는 경향은 초전도성의 이상한 특성의 근원입니다. 쿠퍼는 처음에는 고립 전자쌍의 형성만을 고려했지만, BCS 이론에서 설명한 것처럼 보다 현실적인 다중 전자 쌍 상태를 연구했을 때, 쌍은 전자에 대한 허용 에너지 상태의 연속체에 갭을 엽니다. 즉, 모든 여기가 시스템은 최소한의 에너지를 가져야 합니다.
이러한 들뜬 에너지 갭은 전자 산란과 같은 작은 들뜬 상태가 금지되기 때문에 초전도성이 가능합니다.
에너지 갭은 전자들 사이에서 느껴지는 인력으로 인해 발생하는 다체 효과로 인해 나타납니다. R.A. 오그 주니어는 전자가 물질의 격자 진동에 의해 결합된 쌍으로 작동할 수 있다고 처음 제안했으며, 이 이론은 초전도체의 동위 원소 효과를 통해 확인되었습니다. 이 효과는 중이온(다른 핵 동위 원소)을 포함하는 물질이 초전도 전이 온도가 더 낮다는 것을 보여줍니다. 이는 쿠퍼 쌍 이론에 의해 설명될 수 있습니다. 즉, 중이온은 전자가 끌어당기고 이동하기 어렵게 만들어 결과적으로 결합을 유발합니다. 쌍. 에너지가 감소합니다.
쿠퍼 쌍 이론은 매우 일반적이며 특정 전자-포논 상호 작용에 의존하지 않습니다. 현재, 일부 응집물질 물리학자들은 전자-엑시톤 상호 작용이나 전자-플라스몬 상호 작용과 같은 다른 인력 상호 작용을 기반으로 한 페어링 메커니즘을 제안했지만 이러한 페어링 상호 작용은 지금까지 어떤 물질에서도 관찰되지 않았습니다.
쿠퍼 쌍은 개별 전자가 쌍을 이루어 "준보손"을 형성하는 것을 포함하지 않는다는 점에 유의해야 합니다. 이와 대조적으로, 쌍을 이룬 상태는 에너지적으로 최적화되어 있으며 전자는 이러한 상태로 들어가거나 나오는 경향이 있습니다. 존 배드렌은 이렇게 강조했습니다:
"쌍 전자의 개념은 완전히 정확하지는 않지만 이 현상의 본질을 포착할 수 있습니다."
쿠퍼 쌍에 대한 연구가 심화됨에 따라, 아마도 미래에 초전도에 대한 우리의 이해에 영향을 미칠 새로운 돌파구가 있을 것입니다. 어떤 종류의 조건이 쿠퍼 쌍의 형성을 가장 효과적으로 촉진할 수 있을까요?
