Language
Country/Area
No result found
Куперовские пары и сверхтекучесть: квантовая магия, стоящая за феноменом сверхтекучести гелия-3!
В физике конденсированного состояния куперовская пара — это пара, образованная двумя электронами (или другими фермионами), объединенными определенным образом в условиях низкой температуры. Впервые это явление описал американский физик Леон Купер в 1956 году. Купер показал, что даже слабая сила притяжения может заставить электроны образовывать парные состояния с энергией ниже энергии Ферми. Это означает, что образующиеся пары существуют благодаря этому сильному взаимодействию.
В обычных сверхпроводниках эта сила притяжения возникает в основном за счет электрон-фононного взаимодействия.
Куперовские пары являются краеугольным камнем сверхпроводимости — теории, разработанной Джоном Бардином, Леоном Купером и Джоном Шриффером, за которую они разделили Нобелевскую премию в 1972 году. Хотя спаривание Купера является квантовым эффектом, причину этого спаривания можно понять, используя упрощенное классическое объяснение.
В металлах электроны обычно движутся как свободные частицы. Отрицательные заряды электронов отталкиваются друг от друга, но в то же время они также притягивают катионы, составляющие решетку металла. Это притяжение вызывает деформацию катионной решетки, слегка перемещая катионы ближе к электронам и тем самым увеличивая плотность положительного заряда поблизости. Такой положительный заряд может притягивать другие электроны. На больших расстояниях эта сила притяжения, обусловленная смещенными катионами, преодолевает силы отталкивания между электронами, заставляя их объединяться в пары.
Энергия парного взаимодействия очень слаба, порядка 10-3 эВ, поэтому тепловая энергия может легко разрушить эти пары.
Таким образом, только при низких температурах в металлах и других матрицах электроны существуют в значительных количествах в виде куперовских пар. Важно отметить, что спаренные электроны не обязательно должны быть очень близко друг к другу. Поскольку взаимодействие является дальнодействующим, спаренные электроны все еще могут находиться на расстоянии сотен нанометров друг от друга, что обычно больше среднего расстояния между электронами, поэтому многие куперовские пары могут занимать одно и то же пространство.
Электроны имеют спин 1/2, поэтому они являются фермионами, но куперовские пары имеют полный спин, равный целому числу (0 или 1), поэтому они являются составными бозонами. Это означает, что при обмене частицами волновая функция куперовской пары симметрична. Поэтому, в отличие от электронов, несколько куперовских пар могут сосуществовать в одном и том же квантовом состоянии, что является фундаментальной причиной явления сверхпроводимости.
Теория БКШ применима и к другим фермионным системам, таким как гелий-3. Фактически, именно куперовское спаривание делает гелий-3 сверхтекучим при низких температурах. По мере развития науки многие физики также предположили, что бозонные пары в оптических решетках могут быть похожи на куперовские пары.
Связь между куперовскими парами и сверхпроводимостью
Тенденция всех куперовских пар конденсироваться в одно и то же основное квантовое состояние является источником странных свойств сверхпроводимости. Первоначально Купер рассматривал только образование неподеленных пар в металлах, но в более реалистичном случае образования многоэлектронных пар полная теория БКШ показала, что спаривание открывает разрыв в континууме разрешенных состояний электронной энергии, а это означает, что все возбужденные состояния должны иметь некоторую минимальную энергию.
Энергетическая щель этого возбуждения делает невозможными малые возбуждения, такие как рассеяние электронов.
Эта энергетическая щель возникает из-за многочастичного эффекта, вызванного взаимным притяжением, испытываемым электронами. Р. А. Огг-младший впервые предположил, что электроны могут объединяться в пары посредством колебаний решетки, и эта идея нашла отражение в изотопном эффекте, наблюдаемом в сверхпроводниках. Изотопный эффект показывает, что материалы с более тяжелыми катионами имеют более низкие температуры сверхпроводящего перехода, что можно объяснить теорией спаривания Купера: тяжелым катионам сложнее притягивать и перемещать электроны, что приводит к меньшей энергии спаривания.
Теория спаривания Купера является довольно общей и не опирается на конкретные электрон-фононные взаимодействия. Физики, изучающие конденсированное состояние вещества, предложили механизмы спаривания, основанные на других притягивающих взаимодействиях, таких как электрон-экситонное взаимодействие или электрон-плазмонное взаимодействие, однако до сих пор не было обнаружено ни одного примера этих других парных взаимодействий ни в одном материале.
Стоит отметить, что спаривание Купера — это не спаривание отдельных электронов с образованием «квазибозонов», а скорее парное состояние с большими преимуществами и приоритетом входа и выхода электронов из этих состояний.
Это особенно очевидно в различии Джона Бардина, сделанном Янгом, который отметил, что «концепция спаренных электронов, хотя и не совсем точна, отражает суть явления».
Открытие куперовских пар не только заложило основу сверхпроводимости, но и открыло загадочное квантовое окно для нашего понимания сверхтекучести гелия-3. Как квантовая физика поможет нам лучше понять свойства материалов в будущем?
