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O milagre do emparelhamento de elétrons: por que pequenas atrações podem causar supercondutividade?
No campo da física da matéria condensada, um par de Cooper ou par BCS (par Bardeen-Cooper-Schriver) é um par de elétrons que se combinam de uma maneira específica em baixas temperaturas. Este conceito foi proposto pela primeira vez pelo físico americano Leon Cooper em 1956. Cooper mostrou que mesmo com apenas uma atração fraca, os elétrons dentro de um metal podem formar um estado de par com uma energia inferior à energia de Fermi, sugerindo que o par está ligado. Nos supercondutores tradicionais, esta atração surge da interação entre elétrons e fônons.
O estado dos pares de Cooper é a origem do fenómeno da supercondutividade, conforme descrito pela teoria BCS proposta por John Bardeen, Leon Cooper e John Shriver. Os três cientistas partilharam, portanto, o Prémio Nobel de 1972.
Embora o emparelhamento de Cooper seja um efeito quântico, o conceito básico do seu mecanismo de emparelhamento pode ser explicado com uma explicação clássica simplificada. Normalmente, os elétrons dentro de um metal parecem se mover livremente, mas são repelidos pelas cargas negativas entre eles; no entanto, eles também atraem os íons positivos que constituem a estrutura cristalina do metal; Esta atração irá deformar os íons na rede cristalina, aumentando assim a densidade de carga positiva na área próxima aos elétrons, atraindo assim outros elétrons. A distâncias maiores, esta atração entre os eletrões devido aos iões deslocados tem o potencial de superar a repulsão entre os eletrões, levando-os a emparelhar-se.
Uma explicação aprofundada da mecânica quântica mostra que esse efeito surge da interação entre elétrons e fônons, que são o movimento coletivo de cargas positivas na rede cristalina. A energia das interações de emparelhamento é bastante pequena, da ordem de 0,001 eV, portanto a energia térmica pode facilmente quebrar esses pares. É por isso que em metais ou outros substratos, os pares de Cooper só podem ser formados quando há mais elétrons em baixas temperaturas.
Os elétrons emparelhados não precisam necessariamente estar próximos, porque essa interação é de longo alcance. Os elétrons emparelhados podem estar separados por centenas de nanômetros, e essa distância é geralmente maior que o espaçamento médio dos elétrons, o que permite que muitos pares de Cooper se encontrem. ocupar o mesmo espaço.
Os elétrons têm spin 1/2, portanto são férmions, mas os pares de Cooper têm spin inteiro (0 ou 1), portanto formam bósons compostos. Isto significa que suas funções de onda são simétricas no intercâmbio de partículas. Portanto, ao contrário dos elétrons, vários pares de Cooper podem estar no mesmo estado quântico, que é a principal razão da supercondutividade.
A teoria BCS também é aplicável a outros sistemas de férmions, como a superfluidez de ^3He. O emparelhamento de Cooper também é considerado a razão pela qual ^3He é superfluido em baixas temperaturas. Além disso, em 2008, foi sugerido que os pares de bósons na rede óptica poderiam ser semelhantes aos pares de Cooper. Isto sugere que os pares de Cooper não estão limitados às interações entre elétrons, mas também podem se estender a outros sistemas de partículas.
A formação de pares de Cooper faz com que todos os pares de Cooper se "condensem" no mesmo estado fundamental dentro do material, o que é uma propriedade peculiar exibida pela supercondutividade.
Cooper inicialmente considerou apenas a formação de pares isolados dentro do metal, depois explorou a formação mais realista de múltiplos pares na teoria BCS e descobriu que o emparelhamento cria uma lacuna de energia no espectro contínuo de estados de energia permitidos dos elétrons. todas as excitações do sistema precisam ter uma certa energia mínima. Esta lacuna de energia para excitações leva à supercondutividade porque pequenas excitações, como o espalhamento de elétrons, são proibidas. Essa lacuna de energia vem do efeito de muitos corpos causado pela atração mútua entre os elétrons.
sugeriu pela primeira vez que os elétrons poderiam se comportar como pares acoplados por vibrações de rede, uma noção apoiada por efeitos isotópicos observados em supercondutores. Este efeito mostra que materiais com íons mais pesados (diferentes isótopos nucleares) têm temperaturas de transição supercondutoras mais baixas, o que pode ser explicado pela teoria do emparelhamento de Cooper: íons mais pesados têm uma capacidade mais fraca de atrair e mover elétrons, o que resulta em A energia de ligação do direito par é menor.Embora as teorias atuais não dependam de interações elétron-fônon específicas, os teóricos da matéria condensada propuseram mecanismos de emparelhamento baseados em outras interações atrativas, como interações elétron-exciton ou interações elétron-plasma. Até agora, essas outras interações de emparelhamento não foram observadas em nenhum material.
É importante notar que o emparelhamento de Cooper não envolve o emparelhamento de elétrons individuais para formar "quase-bósons". Seu estado emparelhado é o estado eletrônico energeticamente dominante, e os elétrons entrarão e sairão preferencialmente desses estados.
Como núcleo da teoria do emparelhamento de Cooper, a coerência quadrática envolvida na descrição matemática foi proposta por Yang. Com a contribuição potencial dos fenómenos de supercondutividade para o desenvolvimento da ciência e da tecnologia, como é que as pesquisas futuras iluminarão o caminho para a compreensão da supercondutividade e da formação de pares de Cooper?
