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A arma secreta da supercondutividade: por que os pares de Cooper impedem a colisão de elétrons?
Na física da matéria condensada, os pares de Cooper, também conhecidos como pares BCS (pares Badren-Cooper-Schriever), foram propostos pelo físico americano Leon Cooper em 1956, referem-se a pares de elétrons que se ligam de uma maneira específica em baixas temperaturas. . Este fenômeno revela os princípios básicos de funcionamento dos supercondutores.
Cooper mostrou que mesmo uma pequena força atrativa é suficiente para fazer com que os elétrons nos metais se emparelhem, e a energia do par será menor que a energia de Fermi, o que significa que o par está ligado.
Nos supercondutores tradicionais, essa atração vem principalmente da interação entre elétrons e fônons. Os estados dos pares de Cooper são a origem da supercondutividade, uma teoria desenvolvida por John Baderyan, Leon Cooper e John Schriever, pela qual ganharam o Prêmio Nobel em 1972.
Embora o emparelhamento de Cooper seja um efeito quântico, sua causa pode ser vista em uma explicação clássica simplificada. Os elétrons nos metais geralmente se comportam como partículas livres. Devido à sua carga negativa, os elétrons se repelem, mas também atraem os íons positivos que constituem a estrutura cristalina rígida do metal. Esta força atrativa pode distorcer a rede iônica, fazendo com que os íons se movam ligeiramente em direção aos elétrons, aumentando assim a densidade de cargas positivas próximas.
Essa carga positiva atrai outros elétrons. Em distâncias maiores, a atração entre os elétrons causada pelos íons em movimento pode superar os efeitos repulsivos entre eles, resultando no emparelhamento dos elétrons.
Uma interpretação rigorosa da mecânica quântica mostra que esse efeito de emparelhamento é causado pela interação entre elétrons e fônons. Embora a energia das interações de emparelhamento seja bastante fraca, da ordem de 10 Os elétrons estão ligados em pares de Cooper.
Os elétrons em um par de Cooper não estão necessariamente próximos uns dos outros porque a interação ocorre em longas distâncias e a distância entre os elétrons emparelhados pode ser de centenas de nanômetros. Essa distância é geralmente maior que o espaçamento médio dos elétrons, portanto, muitos Cooper. pares podem ocupar o mesmo espaço.
Os elétrons têm spin 1/2, portanto são férmions, porém, o spin total de um par de Cooper é um número inteiro (0 ou 1), o que significa que é um bóson combinatório, o que faz com que sua função de onda seja simétrica.
Isso significa que, diferentemente dos elétrons, muitos pares de Cooper podem estar no mesmo estado quântico ao mesmo tempo, o que é a causa raiz da supercondutividade. A teoria BCS também se aplica a outros sistemas de férmions, como o hélio-3. Na verdade, o emparelhamento de Cooper também contribuiu para a superfluidez do hélio-3 em baixas temperaturas.
Em 2008, os cientistas propuseram que os pares de bósons nas redes ópticas podem ser semelhantes aos pares de Cooper. Esta nova perspectiva abriu mais direções de investigação.
A relação entre pares de Cooper e supercondutividade
A tendência de todos os pares de Cooper de se "condensarem" no mesmo estado fundamental de um objeto é a fonte das estranhas propriedades da supercondutividade. Cooper originalmente considerou apenas a formação de pares isolados, mas quando estados de emparelhamento multi-elétrons mais realistas foram investigados, conforme ilustrado pela teoria BCS, o emparelhamento abre uma lacuna de energia no continuum de estados de energia permitidos para elétrons, o que significa que todas as excitações do sistema deve ter alguma energia mínima.
Essa lacuna de energia de excitação permite a supercondutividade porque pequenas excitações, como o espalhamento de elétrons, são proibidas.
A lacuna de energia ocorre devido ao efeito de muitos corpos causado pela atração percebida entre os elétrons. RA Ogg Jr. propôs pela primeira vez que os elétrons podem agir como pares acoplados por vibrações da rede de um material, uma teoria também confirmada por efeitos isotópicos em supercondutores. Este efeito mostra que materiais com íons pesados (diferentes isótopos nucleares) terão temperaturas de transição supercondutoras mais baixas, o que pode ser explicado pela teoria do emparelhamento de Cooper: íons pesados têm mais dificuldade em atrair e mover elétrons, o que leva à diminuição da energia de ligação dos pares.
A teoria dos pares de Cooper é bastante geral e não se baseia em interações específicas elétron-fônon. Atualmente, os físicos da matéria condensada propuseram mecanismos de emparelhamento baseados em outras interações atrativas, como interações elétron-exciton ou interações elétron-plasma, mas essas interações de emparelhamento não foram observadas em nenhum material até agora.
É importante notar que o emparelhamento de Cooper não envolve o emparelhamento de elétrons individuais para formar "quase-bósons". Em vez disso, os estados emparelhados são otimizados energeticamente e os elétrons tendem a entrar e sair desses estados. John Baderen enfatizou:
“Embora o conceito de elétrons emparelhados não seja completamente preciso, ele captura a essência deste fenômeno.”
Com o aprofundamento da investigação sobre pares de Cooper, poderá haver novos avanços no futuro que afectarão a nossa compreensão dos fenómenos supercondutores. Que condições podem promover de forma mais eficaz a formação de pares de Cooper?
