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Por que os pares de Cooper quebram as leis da física? Descubra como o emparelhamento de elétrons cria uma corrente sem resistência!
Na física da matéria condensada, pares de Cooper são pares de partículas unidas por elétrons (ou outros férmions) em baixas temperaturas. Esse fenômeno foi descrito pela primeira vez pelo físico americano Leon Cooper em 1956. O trabalho de Cooper mostrou que mesmo pequenas forças de atração podem fazer com que pares de elétrons se liguem, e sua energia total ficará abaixo da energia de Fermi, sugerindo que o par é estável. Em supercondutores convencionais, essa atração vem principalmente das interações elétron-fônon.
"Os pares de Cooper estão no centro da supercondutividade, e é esse estado que dá aos materiais a capacidade de conduzir corrente elétrica sem resistência."
Embora o comportamento dos pares de Cooper seja um efeito quântico, podemos entender sua causa por meio de uma explicação clássica simplificada. Nos metais, os elétrons são geralmente considerados partículas livres. Em circunstâncias normais, os elétrons se repelem por causa de sua carga negativa, mas ao mesmo tempo também atraem íons positivos que formam a rede rígida do metal. Essa atração distorce a rede iônica, fazendo com que os íons se movam ligeiramente em direção aos elétrons, aumentando a densidade de carga positiva naquela área. Essa carga positiva atrai outros elétrons. Em longas distâncias, a força atrativa causada pela deflexão dos íons pode superar a repulsão entre os elétrons, fazendo com que eles se emparelhem.
"A energia de interação deste par é bastante fraca, cerca de 10-3 eV."
É claro que esse pareamento de elétrons só ocorre significativamente em metais ou outros substratos em baixas temperaturas. Nos pares de Cooper, embora as interações dos elétrons possam ser distantes, isso não significa que eles devam estar muito próximos uns dos outros. Elétrons pareados ainda podem estar separados por centenas de nanômetros, uma distância que normalmente é maior que o espaçamento médio de elétrons, então muitos pares de Cooper podem ocupar o mesmo espaço. Vale ressaltar que o elétron é um férmion de spin 1/2, enquanto os pares de Cooper têm um spin total inteiro (0 ou 1), o que os torna bósons compostos, o que significa que sua função de onda é As partículas são simétricas quando são trocados.
Portanto, a existência de pares de Cooper torna possível ter múltiplos pares de Cooper no mesmo estado quântico, o que é a chave para o fenômeno da supercondutividade. Além dos supercondutores, a teoria BCS também pode ser aplicada a outros sistemas de férmions, como o superfluido hélio-3. Na verdade, o pareamento de Cooper também torna o hélio-3 superfluido em baixas temperaturas. Em 2008, cientistas propuseram o conceito de que pares de bósons em redes ópticas podem ser semelhantes aos pares de Cooper.
"A formação de pares de Cooper envolve um efeito de amplificação acoplado por vibrações de rede."
A tendência de todos os pares de Cooper em um sistema de "condensar" no mesmo estado fundamental é a razão fundamental para a propriedade da supercondutividade. Cooper inicialmente considerou apenas a formação de pares de elétrons isolados em metais. Mas em um cenário mais realista, quando se considera a formação de múltiplos pares de elétrons, verifica-se que esse pareamento abre uma lacuna de energia no continuum de estados de energia permitidos para elétrons, o que significa que todas as excitações do sistema devem ter uma certa quantidade de energia. Essa lacuna de excitação leva à supercondutividade porque pequenas excitações, como o espalhamento de elétrons, são proibidas. Essa lacuna aparece como resultado das forças de atração sentidas entre os elétrons e do efeito de muitos corpos.
R. A. Ogg Jr. propôs pela primeira vez que os elétrons poderiam se acoplar em pares por meio de vibrações de rede em um material. Isto é demonstrado pelo efeito isotópico observado em supercondutores. Este efeito mostra que materiais com íons mais pesados (diferentes isótopos nucleares) têm temperaturas de transição supercondutoras mais baixas. Isso pode ser explicado pela teoria do pareamento de Cooper: íons mais pesados criam maiores dificuldades para a atração e movimentação de elétrons, o que leva a uma menor energia de ligação do pareamento.
"A teoria do pareamento de Cooper é bastante geral e não depende de uma interação elétron-fônon específica."
Físicos da matéria condensada propuseram mecanismos de pareamento baseados em outras interações atrativas, como interações elétron-exciton ou interações elétron-plasmon, mas essas outras interações de pareamento ainda não foram observadas em nenhum material. Vale mencionar que o pareamento de Cooper não envolve o pareamento de elétrons individuais para formar "quase-bósons". Estados pareados são energeticamente preferidos, e os elétrons preferencialmente entrarão e sairão desses estados. Esta é uma distinção sutil que John Bardeen enfatizou: "Embora esta não seja uma descrição tecnicamente precisa do conceito de pareamento de elétrons, ela ainda captura sua essência."
Uma compreensão mais profunda desse sistema não apenas muda nossa compreensão da física dos materiais, mas também oferece possibilidades ilimitadas para futuros avanços tecnológicos. Os humanos podem descobrir o mesmo fenômeno de supercondutividade em uma faixa de temperatura mais alta, talvez mudando nosso futuro energético?
